Штамповка – способ обработки металлов давлением, при котором течение металла ограничено поверхностями полостей и выступов штампа. Верхняя и нижняя части штампа образуют замкнутую полость по форме изготовляемой детали – штамповки. В зависимости от формы заготовки, оборудования и технологических приемов различают объемную штамповку и листовую штамповку. Кроме того, штамповку можно осуществлять с нагревом и без нагрева. Ранней штамповкой можно считать чеканку монет. Широкое применение процесса штамповки началось в конце XVIII вв. в связи с переходом на промышленный выпуск изделий, в частности первый патент на изготовление штампованием латунных гильз был выдан в 1796 г. С появлением паровых машин на штамповочных прессах стали осуществлять различные пробивные и вырубные операции, например, пробивку отверстий под заклепки. Наибольшее развитие штамповка получила в середине ХХ в. с ростом серийного и массового производства в приборо- и машиностроении, радиоэлектронной промышленности и других отраслях, так как является в десятки раз выгоднее ковки. Штампованные детали имеют в 2-3 раза меньшие припуски на обработку, чем кованные, то есть выше процент использования металла. Штамповку осуществляют на молотах с массой падающих частей 0,5-30 т, кривошипных горячештамповочных прессах с усилием от 6 до 100 МН (6000–10 000 тс), гидравлических прессах с усилием до 750 МН (75 000 тс), горизонтально-ковочных машинах, кузнечно-штамповочных автоматах, гидровинтовых пресс-молотах. Чтобы сократить отход металла, уменьшить последующую обработку, применяют безоблойное штампование. При горячей штамповке на молотах окалина удаляется в промежутках между первыми ударами. На прессах штамповку выполняют за один ход. В связи с этим применяют так называемый без окислительного нагрева заготовок, например, в индукционных печах. Это обеспечивает получение изделий почти без окалины.
Штамповка осуществлялась на молотах простого действия, а обрезка и прошивка на винтовых прессах. В начале XX века появились горизонтально-ковочные машины, что расширило область использования горячей штамповки. Бурное развитие индустрии в годы первых пятилеток способствовало развитию штамповочного производства.
Перспективы дальнейшего развития горячей объемной штамповки (ГОШ) определяются расширением применения штампов для горячей малоотходной штамповки и конструированием мощного оборудования для холодной штамповки, а также внедрением новых процессов деформации металлов с использованием явлений сверх пластичности, применением гидростатических методов и др.
Основные технологические процессы листовой штамповки: вырубка- пробивка, гибка, формовка, вытяжка реализуются в инструментальных штампах.
Штамп состоит из подвижной и неподвижной частей. Верхняя часть – подвижная – крепится к ползуну пресса, нижняя закрепляется неподвижно на рабочем столе пресса (рис. 1).
Рис. 1. Инструментальный штамп
Вытяжка листового материала
Вытяжкой в листовой штамповке называют процесс перевоплощения плоской или полой листовой заготовки в открытую сверху полую деталь, осуществляемый с помощью листовых штампов. Вытяжку из тонколистового металла в большинстве случаев производят в холодном состоянии. Вытяжку из толстолистового металла, а также из низко пластичных металлов осуществляют при нагреве заготовки.
Вытяжкой изготовляют детали автомобилей, тракторов, самолетов, детали электрических машин и аппаратов, детали типа днищ баков и кислородных баллонов, корпуса и детали приборов, часовых механизмов, предметов домашнего потребления.
Характеристика вытяжных операций
Полые детали, получаемые методами вытяжки, по степени сложности формы можно разделить на три основные группы:
- детали, имеющие форму тела вращения (рис. 2, а, б);
- детали коробчатой формы (рис. 2, в, г);
- детали сложной формы (рис. 2, д)
Рис. 2. Детали, получаемые вытяжкой
Осесимметричные детали могут быть цилиндрические, ступенчатые, конические или с какой-либо криволинейной образующей. Детали могут быть с фланцем или без фланца, с плоским (см. рис. 2, а) или с фасонным дном (см. рис. 2, б).
Детали коробчатой формы могут иметь квадратные, прямоугольные или криволинейные боковые стенки с фланцем или без фланца. При этом дно может быть плоское (см. рис. 2, б) или фасонное (см. рис. 2, в).
Все детали, не относящиеся к первым двум группам, относятся к деталям сложной формы. Примером могут служить дверца, крыло или другая деталь внешней обшивки автомобиля.
По характеру деформирования заготовки различают два основных варианта процесса:
- вытяжка без утонения стенок;
- вытяжка с утонением стенок.
В первом случае вытяжка происходит без заранее обусловленной толщины материала стенок изделия. Во втором случае процесс вытяжки идет за счет изменения толщины листа.
По характеру напряженно-деформированного состояния заготовки различают три базовых способа вытяжки (рис. 3):
- Вытяжка цилиндрических и коробчатых деталей при схеме напряженного состояния на фланце – сжатие-растяжение. В этом случае основная часть деформации заготовки 4 протекает под прижимом 3 на фланце и на вытяжных кромках матрицы 2 при перемещении пуансона 1 (рис. 3, а). Наибольшая глубина вытяжки h находится в зависимости от относительной толщины заготовки и диаметра детали d и составляет h = (0,5-0,95)d.
- Вытяжка сферических и сложной формы деталей (рис. 3, б) осуществляется в штампах с вытяжными ребрами при преобладании растягивающих напряжений во фланце и неравномерном двухосном растяжении в остальной части заготовки.
Основная деформация протекает вне прижима при значительном утонении материала. Глубина вытяжки обычно находится в пределах h = (0,2-0,6)d.
Рис. 3. Технологические схемы вытяжки:
а – вытяжка цилиндрических деталей, б – вытяжка сферических и сложной формы деталей,
в – вытяжка эластично-жидкостной матрицей; 1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – прижим, 4 – заготовка
Вытяжка цилиндрических, коробчатых и сферических деталей эластично-жидкостной матрицей на пуансон (рис. 3, в) производит заталкивание заготовки в центр деформации и противодействует возникновению опасного сечения. При этой технологической схеме полнее используются пластические свойства металла, предельная глубина вытяжки резко возрастает и составляет
h = (1,5-1,75)d, что недостижимо при первых двух способах вытяжки.
Вытяжку листовых металлов в условиях крупносерийного и массового производства обычно производят в жестких инструментальных штампах на кривошипных прессах двойного и тройного действия, кривошипных прессах простого действия с пневматическим или гидропневматическим устройством, гидравлических прессах, эксцентриковых прессах, а также на листоштамповочных молотах. В условиях мелкосерийного и опытного производства часто применяют штамповку эластичными средами, гидроударную, электрогидро- импульсную и магнитно-импульсную штамповку.
Разделительные операции
Резка-вырубка листового металла представляет собой процесс отделения одной части материала от другой по замкнутому или незамкнутому контуру при помощи штампов. В зависимости от назначения и характера выполняемой работы операции группы резки разделяют на следующие.
Вырубка – полное отделение металла по замкнутому контуру, при котором отделяемая часть заготовки является изделием (рис. 4,а).
Пробивка – операция, имеющая цель получить в вырубленной детали или листе отверстие путем отделения при помощи пробивного штампа части материала по замкнутому контуру (рис. 4, б). Отличие вырубки от пробивки заключается в том, что при вырубке часть материала, проталкиваемая пуансоном в матрицу, является деталью, а при пробивке проталкиваемый через матрицу материал является отходом, а на матрице остается изделие.
Надрезка – операция, при которой происходит частичное отделение материала по незамкнутому контуру без удаления остатков (рис. 4,в).
Разрезка – разделение плоских, гнутых или полых заготовок на две или несколько деталей, например, при штамповке несимметричных деталей. В этом случае сначала штампуют симметричную деталь, а потом разделяют на две детали (рис. 4,г).
Обрезка – полное отделение неровного края или лишнего металла по наружному контуру плоских, гнутых или вытянутых изделий (рис. 4,д).
Зачистка – небольшая обрезка заранее предусмотренного припуска на плоских заготовках с целью получения точных размеров и формы, точных кромок и гладкой перпендикулярной поверхности среза (рис. 4, е). Если зачистка производится одновременно с вырубкой или пробивкой, то такая операция называется чистовой вырубкой или пробивкой.
Просечка – отделение листовых неметаллических материалов по замкнутому контуру при помощи просечных – ножевых штампов. Операция производится стальными трубчатыми пуансонами без применения стальной матрицы. Роль матрицы играют пластины из неметаллических материалов (рис. 4,ж).
Перечисленные операции в целях увеличения производительности можно объединить либо по принципу последовательной штамповки, когда деталь получается из полосы отдельными пуансонами за несколько ходов пресса, либо по принципу совмещенной штамповки, когда деталь получается за один ход пресса и за одну установку заготовки в штампе. В первом случае объединенные операции называются последовательной вырубкой, а во втором случае – совмещенной вырубкой.
Рис. 4. Схемы операций резки:
а – вырубка; б – пробивка; в – надрезка; г – разрезка; д – обрезка; е – зачистка;
ж – просечка: 1 – выталкиватель, 2 – просечной пуансон, 3 – вырезаемый материал, 4 – подкладная пластина
Усилие резания при вырубке-пробивке
Процесс разделения листового материала состоит из трех последовательных стадий: упругой, пластической и скалывания. На срезанной кромке листа четко выделяются две зоны: узкая блестящая полоска, соответствующая, пластической стадии, и более широкая матовая зона, соответствующая зоне скалывания. Последовательность процесса вырубки показана на рис. 5.
В первой стадии происходит упругий изгиб металла с некоторым выдавливанием его в отверстие матрицы. Вдавливание вырубного пуансона происходит не по всей торцевой поверхности, а лишь по пояску шириной b. Такое же вдавливание наблюдается и со стороны матрицы.
В результате локализованного вдавливания пуансона и матрицы возникает круговой изгибающий момент, условно представленный на рис. 5, I, II равнодействующими нормальных напряжений. Под действием кругового изгибающего момента заготовка получает пространственный изгиб, при котором с наружной стороны заготовки возникает растяжение, а с внутренней стороны сжатие. Сжатие хорошо для пластического течения металла, а растяжение способствует возникновению трещин в зоне реза. К концу второй стадии напряжения вблизи режущих кромок достигают максимальной величины, соответствующей напряжению среза материала.
В третьей стадии вырубки у режущих кромок матрицы образуются скалывающие трещины (рис. 5, III). После дальнейшего погружения пуансона, скалывающие трещины возникают и у режущих кромок пуансона (рис. 5, IV, V). Скалывающие трещины распространяются на внутренние слои металла и вызывают отделение вырезаемой детали.
Рис. 5. Последовательность процесса вырубки
Классификация инструментальных штампов
По технологическому признаку штампы листовой штамповки делятся на штампы простого, совмещенного и последовательного действия.
В штампе простого действия производят одну штамповочную операцию за один ход ползуна пресса в пределах одного шага подачи заготовки. Например, штамп вырубки круга в полосе (рис. 6).
Рис. 6. Вырубной штамп простого действия
В штампе совмещенного действия выполняется несколько операций одновременно за один ход ползуна пресса в пределах одного шага подачи (рис. 7).
Рис. 7. Штамп последовательного действия
По назначению штампы подразделяются на специальные, специализированные и универсальные. Штамп, предназначенный для изготовления конкретной детали, называется специальным. Этот штамп специально предназначен для изготовления конкретной детали. Сколько разнообразных деталей, столько и специальных штампов. Штамп, предназначенный (специализирующийся) для выполнения конкретной операции (детали разные) является специализированным. Например, это штамп для выполнения одной и той же операции гибки, но детали, изготавливаемые на нем, могут отличаться длиной, разной высотой полок и т.д.
Универсальный штамп путем его переналадки или замены отдельных частей может реализовать разные операции, изготавливать различные детали.
Основные детали штампов
Штамп представляет собой сложную конструкцию, состоящую из большого количества деталей, которые можно разбить на две основных группы: детали технологического и детали конструкторского назначения.
Детали штампа технологического назначения непосредственно участвуют в выполнении технологической операции, находятся во взаимодействии с деформируемым металлом заготовки.
Детали штампа конструктивного назначения служат для монтажа, крепления элементов штампа, передачи рабочего давления на детали технологического назначения.
Плиты штампов – детали конструктивного назначения
Верхние и нижние плиты штампа являются основанием, на которых монтируются все остальные детали штампа. Основные требования к плитам – достаточная прочность, обеспечивающих лишь незначительные упругие их деформации в процессе работы.
Применяемые в штампах плиты могут быть стандартными и индивидуальными, изготавливаемыми предприятиями изготовителями штампов.
Стандартные плиты заказываются на специализирующихся на изготовлении этой продукции предприятиях, они могут использоваться как заготовки плит, то есть храниться окончательно необработанными.
Плиты изготавливаются из малоуглеродистой стали ст.3, чугуна или стального литья 40Л.
Плиты, весом более 16 кг, оснащаются средствами захвата для транспортировки: отверстиями под рым-болты, приливами, выступами.
Направляющие элементы
Направляющие элементы служат для обеспечения высокоточного совпадения технологических деталей верхней половины штампа с технологическими деталями нижней половины штампа (рис. 8). Направляющие элементы – колонки и втулки (рис. 9).
Рис. 8. Совпадение осей верхних (ОО) и нижних (О’O’)
Рис. 9. Направляющие детали: колонка-втулка
Втулки запрессовываются в верхнюю плиту штампа, а колонки в нижнюю.
Верхняя часть штампа относительно нижней перемещается по направляющим элементам колонкам со втулками.
Колонки и втулки выполняются из конструкционной стали 20 с цементацией на глубину 0,5…0,8 мм и закалкой до HRC 59…63, трущиеся поверхности полируются до Ra 0,12. Во втулке изготавливают канавки под консистентную смазку.
При штамповке на эксцентриковых прессах втулки обеспечивают постоянный контакт с колонками при перемещении верхней плиты при рабочем ходе ползуна пресса.
При штамповке на кривошипных и гидравлических прессах допускается выход колонок и втулок из зацепления при перемещении верхней плиты при рабочем ходе ползуна пресса.
Основное требование к направляющим элементам – обеспечение высокой износостойкости от 500 тысяч до 10 миллионов циклов.
Штамповочный блок
Штамповочный блок – это комплект верхней и нижней плит, связанных между собой направляющими элементами. В блок входит хвостовик, служащий для соединения верхней плиты с ползуном пресса. Блоки могут быть с двумя, тремя или четырьмя колонками с различным их расположением (рис. 10).
Схема расположения колонок (а) обеспечивает свободный доступ заготовки в рабочую зону штампа. Однако в этом случае из-за смещения центра давления относительно колонок создается перекос плиты, ведущий к преждевременному износу рабочих частей штампа (рис. 11). Такую схему размещения колонок можно рекомендовать при небольших усилиях штамповки.
Схема (б) лишена такого недостатка, но ограничивает доступ заготовки в рабочую зону.
Схема (в) используется при штамповке крупногабаритных деталей.
Рис. 10. Штамповочный блок
Рис. 11. Возникновение момента, приводящего к перекосу плиты и преждевременному износу рабочих частей штампа
Пуансоны
Пуансоны предназначены для непосредственного деформирования заготовки при выполнении соответствующей технологической операции. Они подразделяются на: пробивные, гибочные, вытяжные.
Основные требования, предъявляемые к пуансонам: простота конструкции, технологичность изготовления, прочность и стойкость.
Пуансоны представляют собой отдельный элемент штампа. По своему профилю соответствуют профилю детали. По длине, как правило, выполняются одинакового сечения. К плите пуансоны крепятся с помощью пуансонодержателя. Он центрируется с плитой двумя штифтами и закрепляется винтами с внутренним шестигранником. Пуансон центрируется с пуансонодержателем за счёт его размещения в нем по неподвижной посадке. Для закрепления в пуансонодержателе опорная поверхность пуансона расклепывается или пуансон снабжается буртиком (рис. 12).
Рис. 12. Схема центрирования и крепления пуансона
Пуансон изготавливается из термоупрочняемых высокопрочных инструментальных сталей, например, 40Х, Х12Ф1, У8А, У10А, а также из чугуна. При небольшой опорной площади пуансона развиваемых высоких контактных напряжений, может произойти смятие плиты под пуансоном. Для предотвращения этого явления между пуансоном и плитой размещают подкладную плитку (Сталь 45 ГОСТ1050-88; 40…45 HRC), роль которой - увеличить опорную площадь и снизить давление на плиту (рис. 13).
Рис. 13. Конструктивное оформление пакета: плита, плитка, пуансон, пуансонодержатель
Использование длинномерных пуансонов малого сечения может привести к потере продольной устойчивости и поломке, что требует применения дополнительного конструктивного элемента – направляющей втулки.
Рис. 14. Вариант конструктивного решения крепления пуансона с направляющими втулками
Матрицы
Исполнение и крепление матриц к нижней плите штампа аналогично пуансонам.
Для крупных деталей и деталей сложной формы пуансоны и матрицы делают секционными с запрессовкой отдельных секций в обоймы матрице держателя или пуансонодержателя. Секции пригоняются между собой без зазора и крепятся к обойме винтами с внутренним шестигранником и штифтами.
Удаляющие детали штампа
При выполнении технологических операций: пробивки, вырубки, вытяжки, гибки и заготовка или готовая деталь стремятся остаться на пуансоне или в матрице. Причиной тому могут быть напряжения разгрузки, трение, особенности конструкции детали. Для освобождения пуансона, матрицы снятия с них заготовки или детали применяются различные удаляющие элементы: съемники и выталкиватели.
Съемники могут быть мягкими (подвижными) и жёсткими (неподвижными). Жёсткий съемник выполнен в виде плиты, жестко соединенной с матрицей (рис. 15).
Рис. 15. Схема конструктивного оформления штампа с жёстким съемником
Мягкие съемники, выталкиватели приводятся в движение либо различными рода пружинами штампа, либо с помощью дополнительных элементов (толкатели), соединенных со специальными устройствами прессов.
Фиксирующие детали штампа
Для установки точного положения полосы или заготовки в штампе перед выполнением технологической операции применяют упоры, фиксаторы, ловители и различного рода прижимы.
Упоры могут быть стационарные, неподвижные и утапливаемы во время рабочего хода. Упор обеспечивает шаг подачи полосы (рис. 16).
Рис. 16. Подвижный и неподвижный упоры
Ловитель обеспечивает точное, чем упоры положение заготовки в штампе, то есть устраняет погрешности при шаге подачи. Ловители используются как правило в штампах последовательного действия, когда окончательное положение заготовки осуществляется ловителем по отверстию, пробитому на предыдущем шаге (рис. 17).
Кроме обеспечения заданного шага подачи, полоса или заготовка должны быть ещё и строго ориентированы в плоскости. Для достижения этой цели в конструкции штампа кроме фиксаторов применяются ещё направляющие планки и прижима (рис. 18).
На отдельные элементы штампа существуют ГОСТы, определяющие их конструктивное исполнение, геометрические размеры.
При проектировании конкретных штампов используются приведенные элементы штампа.
Рис. 17. Штамп с ловителем для более точного расположения заготовки
Рис. 18. Прижимы, используемые в штампах для строгой ориентации заготовки
Виды брака при листовой штамповке
Причинами брака при листовой штамповке могут являться:
- дефекты исходного материала;
- недостаточная технологичность детали;
- несовершенство конструкций штампов или их неправильная эксплуатация;
- неправильно разработанный технологический процесс;
- отступление от технологического процесса;
- нарушение правил транспортировки и хранения полуфабрикатов или деталей.
Некачественный первоначальный материал ведет к появлению таких дефектов, как разрыв или разрушение штампуемых деталей при формоизменяющих операциях (рис. 19). Причины появления дефекта на деталях:
- низкая пластичность материала;
- отклонение по структуре и зернистости;
- неодинаковые механические свойства металла в разных местах внутренние дефекты (трещины, расслоения).
Наличие площадки текучести в кривой упрочнения деформируемого металла может привести к потере устойчивости при вытяжке. В связи с этим на поверхности детали могут появляться полосы скольжения или шероховатости. Для устранения данного дефекта металл перед вытяжкой дрессируют. Дрессировкой является прокат металла в холодном состоянии с малым обжатием (до 5%).
Рис. 19. Разрыв металла в местах гибки
Благодаря этой операции устраняется площадка текучести на кривой упрочнения металла.
Брак также может возникать, когда выбранный металл по толщине, механическим свойствам и другим показателям не соответствует разработанному технологическому процессу.
Если использовать металл повышенной толщины, это приведет к поломке штампа или пресса. Поэтому службам входного контроля необходимо тщательно проверять толщину, механические свойства, структуру, а если необходимо, то и химический состав металлов, поступающих в производство.
Неправильно спроектированная оснастка или положение в ней заготовки, а также неправильная форма и размеры рабочих частей штампа, недостаточное или чрезмерное усилие прижима, малая жесткость конструкции штампа – все это может повлиять на появление брака при штамповке. Разностенность, складки, задиры, надрывы, недоштамповка и т.д., все это является браком из-за вышеперечисленных факторов (рис. 20). Для предупреждения брака по этим причинам конструкция штампа должна быть внимательно проверена в чертежах, а изготовленный штамп следует тщательно испытать, отрегулировать и наладить.
Рис. 20. Надрыв металла при вытяжке из-за сильного прижима заготовки
Причинами брака также могут быть неправильная или неточная установка штампа, износ и поломка рабочих частей, ослабление или неправильная регулировка пружин. Поэтому при установке на пресс штампа его состояние тщательно проверяют: осматривают, протирают, смазывают направляющие устройства. При необходимости, режущие части пуансонов и матриц затачивают, заполировывают дефекты на гибочных, вытяжных и других пуансонах и матрицах, регулируют пружины.
Часто причиной получения брака является отступление от технологии производства, т.е. неправильная последовательность операций или пропуске отдельных операций (рис. 21).
Рис. 21. Деталь с пропущенной операцией калибровки
Одной из причин брака является неправильная фиксация и установка заготовки или детали в штамп, т.е. небрежность в работе, поэтому необходимо строго соблюдать технологию изготовления изделий рабочими и мастерами (рис. 22).
Рис. 22. Последствия неправильной установки детали в штамп
Часто в производстве бракуют детали с такими дефектами, как коробления, вмятины, царапины, забоины и т.д. Такие дефекты возникают при небрежной транспортировке и работе или неправильных условиях хранения деталей (рис. 23).
Рис. 23. Царапины на корпусе
Контроль качества штампованных деталей необходимо проводить вовремя и после завершения изготовления. Данный контроль предусматривает в себе: внешний осмотр (трещины, царапины, задиры, разрывы и т.д.) и измерение деталей согласно чертежам и межоперационным эскизам. Как контролировать, чем и после каких операций, указывается в технологическом процессе. Обычно проводится выборочный контроль от 5 до 10% продукции, однако бывает и 100%. За помощью в разработке комплекта конструкторской документации и чертежей на прессовое оборудование (матрица и пуансон) вы можете обращаться сюда.