Холодная штамповка

метки: Штамповка, Холодный, Листовой, Проект, Штамп, Технологический, Размер, Пресс

Холодная штамповка — одна из самых прогрессивных технологий получения заготовок, а в ряде случаев и готовых деталей изделий машиностроения, приборостроения, радиоэлектронных и вычислительных средств. По данным приборостроительных и машиностроительных предприятий до 75 % заготовок и деталей изготавливается методами холодной штамповки. По этой причине вопросы проектирования технологических процессов изготовления деталей холодной штамповкой включены в учебные программы курсов «Технология деталей и узлов», «Материалы и материаловедение РЭС», «Техника и технология машиностроительного производства» и др.

Выполнение студентами курсового проекта по данной теме позволит им более глубоко изучить технологию и овладеть методикой проектирования технологических процессов изготовления деталей способами холодной штамповки. В то же время решение практических задач проектирования технологической оснастки позволит студентам освоить правила оформления сборочных чертежей и деталировки в соответствии с требованиями ЕСКД. Это несомненно будет полезным в дальнейшем при выполнении курсовых и дипломного проектов.

Ограниченный объем методических указаний не позволяет рассмотреть все процессы холодной штамповки. Поэтому в данной работе рассмотрены наиболее широко используемые в промышленности операции вырубки и пробивки.

Данные указания подготовлены в соответствии с методическими указаниями по курсовому проектированию [1], в которых рассмотрены общие вопросы проектирования технологических процессов (ТП) и даны рекомендации по выполнению и оформлению курсового проекта.

1. Методика разработки технологии вырубки — пробивки

Методика разработки технологии вырубки — пробивки состоит из следующих основных этапов:

• анализа физико-механических, химических, конструкционно-технологических свойств материала штампуемой детали;
• анализа технологичности конструкции детали;
• определения раскроя материала и расчета размеров заготовки;
• разработки маршрутной и операционной технологий;
• определения технологических режимов и выбора оборудования;
• проектирования технологической оснастки;
• технологического нормирования операций штамповки;
• оформления конструкторской и технологической документации.

Рассмотрим содержание каждого из этих этапов.

2. Анализ физико-механических, химических, конструкторско-технологических свойств материала детали

Цель этого раздела — показать пригодность заданного материала для холодной штамповки либо найти ему замену или предложить рекомендации по специальной обработке.

Механические и технологические испытания и свойства конструкционных материалов

... оказывают большое влияние на конструкцию детали и способ ее изготовления. Реферат на тему На заказ Образец и пример Механические и технологические испытания и свойства конструкционных материалов Характеристики отливки — это способность ...

Наиболее распространенными материалами, применяемыми в холодноштамповочном производстве, являются прокат металлов: стали, меди и ее сплавов, алюминия и алюминиевых сплавов, никеля и его сплавов, цинка и др., а также неметаллические материалы. Материал детали должен удовлетворять не только ее назначению и условиям работы, но и технологическим требованиям, вытекающим из характера производимых при изготовлении деформаций.

Вследствие этого материал должен обладать определенными физическими, химическими и механическими свойствами, удовлетворяющими техническим условиям по толщине и качеству поверхности.

Пригодность металла для штамповки характеризуется прежде всего его механическими характеристиками:

а) прочностными — пределом текучести у _Т и пределом прочности у _В ;

б) пластическими — относительным удлинением д и относительным сужением ш ;

в) сопротивлением срезу у _СР ;

• г) твердостью.

С увеличением относительного удлинения д штампуемость металла улучшается, а с увеличением твердости — ухудшается. На штампуемость влияет и отношение предела текучести у _Т к пределу прочности у _В . Чем оно меньше, тем лучше штампуемость (для вытяжки у _Т /у _В ? 0,5).

Сопротивление среза у _СР связано с пределом прочности у _Т соотношением у _СР ? 0,8у _Т и определяет усилия, требуемые для реализации штамповочных операций: чем оно больше, тем более мощным должен быть пресс, более прочными детали штампа и т.д.

Металлы, склонные к старению, плохо противостоят напряжениям, возникающим при формообразующих деформациях. С другой стороны, старение, как и наклеп, приводит к повышению твердости и прочности, потере пластичности и ударной вязкости. Последствия явлений старения и механического упрочнения можно устранить за счет предварительного или промежуточных отжигов заготовок.

При оценке штампуемости, кроме механических свойств, следует также принимать во внимание химический состав и микроструктуру материала [2,3,4]. Повышенное содержание примесей, газов, а также легирующих элементов и добавок изменяет структуру металла и его механические характеристики.

Неметаллические материалы отличаются от металлов своей структурой, физическими и механическими свойствами; большинство из них имеют аморфную или ярко выраженную слоистую или волокнистую структуру. В то же время они обладают значительно меньшими, чем у металлов плотностью, твердостью и относительно низкими механическими показателями [2,5].

Таким образом:

• физико-механические свойства материала должны соответствовать процессу и характеру деформаций;

— формоизменение заготовки, как правило, сопровождается значительным повышением механических характеристик материала, что позволяет использовать в качестве исходного менее прочный, но более пластичный материал.

3. Анализ технологичности конструкции штампуемой детали

Исходными данными для проектирования ТП являются рабочие чертежи детали, технические требования на нее и программа выпуска. Рабочие чертежи должны удовлетворять не только требованиям, связанным с назначением детали и условиями ее эксплуатации, но и требованию технологичности конструкции. Расчет количественной оценки технологичности конструкции можно найти в [6].

Качественная оценка технологичности конструкции детали состоит в следующем:

• конфигурация детали и ее развертка должны обеспечивать наивыгоднейшее использование материала, давая возможность применить безотходный или малоотходный раскрой;
• в случае применения раскроя с отходами необходимо стремиться к тому, чтобы придать отходу форму другой детали;
• ассортимент марок материала и его толщины должен быть максимально унифицирован;
• допуски на размеры холодноштампованных деталей должны соответствовать экономической точности операций холодной штамповки, то есть 10 — 14 квалитетам;
• контур детали по возможности должен быть простым, без узких длинных вырезов или прорезей;
• размеры отверстий, пробиваемых круглым пуансоном, не должны быть меньше 1,3 толщины материала для твердых сталей;
• одной толщины — для мягких сталей;
• 0,8 толщины — для алюминия и его сплавов и 0,4 толщины — для гетинакса.

Остальные технологические требования можно найти в литературе [7,8,9].

4. Определение раскроя материала и расчет размеров заготовки

Раскрой материала, с одной стороны, определяет схему штампа, и, следовательно, сложность его изготовления и стоимость, а с другой — количество материала, идущего в отход. И то и другое непосредственно влияют на себестоимость детали.

Экономичность раскроя характеризуется коэффициентом использования материала :

з = S _ДЕТ n / S _Л 100 % ,

где S _ДЕТ — площадь детали без учета потерь, вызванных геометрической формой (отверстия, пазы и т.п.); n — количество деталей, получаемых из листа или полосы площади S _Л .

Величина з зависит от геометрической формы детали, а также от ширины перемычек. Наихудшей формой с точки зрения экономии материала является круг.

Ширина полосы определяется по формуле:

B = L + 2b + Д

где В — ширина полосы в мм (округляется до ближайшего целого числа в большую сторону);

L — размер вырубаемой детали (поперек полосы), мм ;

b — ширина боковой перемычки (табл. 1), мм ;

Д _П — предельные отклонения ширины полосы (табл. 2), мм .

Величина перемычки зависит от многих факторов: конфигурации и размеров детали, пластичности и толщины материала, конструкции и точности штампа, вида подачи полосы в штамп. В приборо- и машиностроении пользуются усредненными размерами перемычек, которые выбираются из таблиц, полученных опытным путем [7,9,10].

Таблица 1

Толщина материала, мм	Перемычка, мм	Толщина материала, мм	Перемычка, мм
	a и b	a 1 и b1		a и b	a 1 и b1
0,3	1,4	2,3	2,5	1,8	2,8
0,5	1,0	1,8	3,0	2,0	3,0
1,0	1,2	2,0	4,0	2,5	3,5
1,5	1,4	2,2	5,0	3,0	4,0
2,0	1,6	2,5	10,0	5,5	6,5

В таблице применены следующие обозначения:

В ряде случаев при выборе величины перемычки табличные значения следует корректировать:

• при вырубке деталей из неметаллических материалов ширину перемычек увеличивают в 1,5 раза;

при вырезке с поворотом полосы величину перемычек а и а ₁ увеличивают в 1,5 раза;

ширину кромки, обрезаемой шаговым ножом, принимают равной а ₁ ;

• для магниевых сплавов ширину перемычек увеличивают в 2 раза;
• для титановых сплавов ширину перемычек увеличивают в 1,3 — 2 раза;

для материалов толщиной более 10 мм ширину перемычек принимают равной 0,7 толщины листа.

Более экономичными являются безотходный и малоотходные раскрои, когда отсутствуют соответственно все или некоторые перемычки. Однако это приводит к снижению точности размеров детали или усложнению конструкции штампа. В случае применения безотходного раскроя предельные отклонения размеров, получаемые отрезкой в штампе или разрезанием листа на полосы на гильотинных ножницах, можно определить из таблицы 2 [11].

Таблица 2

Размер, мм	Толщина материала, мм
	До 1	Св. 1 до 2	Св. 2 до 3	Св. 3 до 5	Св. 5 до 10
До 50	0,3 — 0,4	0,3 — 0,5	0,5 — 0,7	0,6 — 0,9	1,3 — 1,8
Св. 50 до 100	0,3 — 0,5	0,4 — 0,6	0,6 — 0,8	0,7 — 1,0	1,4 — 2,0
Св.100 до 150	0,4 — 0,6	0,5 — 0,7	0,6 — 0,9	0,8 — 1,1	1,8 — 2,5
Св. 150 до 220	0,5 — 0,7	0,5 — 0,8	0,7 — 1,0	0,8 — 1,2	2,1 — 3,0

Примечание

На практике для получения приемлемого раскроя можно пользоваться раскладкой вырезанных из плотной бумаги контуров деталей. При этом целесообразно учитывать следующие правила, которые могут облегчить решение задачи:

• а) при штамповке деталей сложной конфигурации следует применять наклонный, встречный, многорядный раскрои и раскрой с поворотом полосы;

— б) ширина полосы должна назначаться в направлении наибольшего размера штампуемой детали, кроме тех случаев, когда это правило нельзя соблюсти. Например, в случае, когда ширина детали равна ширине полосы или ленты и деталь просто отрезается, или в случае последующей гибки, когда линия гиба должна быть направлена поперек «волокон» (перпендикулярно направлению проката) материала.

Завершением раздела является выбор стандартного листа проката или ленты, таких, чтобы отходы (обрезки) были минимальны. Стальной прокат поставляется согласно ГОСТ 19903 — 74 (горячекатаный) и ГОСТ 19904 — 90 (холоднокатаный).

Некоторые складские размеры листов и рулонов приведены в табл. 3. Для проката цветных металлов и сплавов при расчетах можно использовать следующие данные (размеры указаны в мм):

600 х 1500

710 х 1410

1000 х 2000

10 … 300

300 … 600

В пояснительной записке необходимо привести эскизы продольного и поперечного раскроев выбранного листа, подсчитать величину отходов и сделать выводы.

5. Разработка маршрутной и операционной технологий

Разработка маршрутной технологии сводится к установлению последовательности технологических операций в результате выполнения которых из заготовки получается готовая деталь.

При штамповке маршрутную технологию можно представить в виде последовательности следующих основных четырех групп технологических операций:

Таблица 3

Толщина, мм	Длина листового проката, мм, при ширине, мм
	510	600	650	710	800	1000	1250	1500
0,35; 0,40; 0,50; 0,55; 0,60	710 1420	1200 1420 2000	1400	1420 1200 2000	—	2000	—
0,65; 0,70; 0,75; 0,8; 0,9		1420 2000	2000			2000 2500	2500	—
1,0	—			1420 2000	1600	1800 2000 2500	2500
1,2; 1,3; 1,4					1600 2000		2500 2800 3000
1,5; 1,6; 1,8		2000	1420 2000	2000, 2200, 2500,2800,3000,3500,4000,4500, 5000,5500,6000
2,0;2,2;2,5;2,8;3,0;3,5;4,0;5,0		—	—
Рулонный материал
Толщина, мм	Ширина, мм
1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0	500; 530; 550; 600; 630; 650; 670; 700; 750; 800; 1000; 1100; 1250

подготовительные операции, включающие в себя выбор листового материала, проверку его толщины, размеров и предварительную смазку;

• заготовительные операции, целью которых является подготовка листового материала непосредственно для штамповки. Чаще всего эти операции включают разметку листа или ленты на необходимое число полос и непосредственную резку на полосы;
• штамповочные операции, цель которых — придать заготовке форму и размеры, заданные чертежом;
• контрольные операции, в ходе которых готовые детали проверяются на соответствие чертежу.

При разработке операционной технологии для каждой операции необходимо определить:

• технологические режимы обработки;
• перечень технологической оснастки (штампов, приспособлений, инструмента, приборов контроля и т.

п.);

• состав основного и вспомогательного оборудования;
• перечень вспомогательных материалов (масел, ветоши, красок, химреактивов и т.

п.);

• нормы времени на выполнение операции.

Разработанные маршрутная и операционная технологии в дальнейшем оформляются в виде технологических карт [1] и включаются в пояснительную записку.

6. Определение технологических режимов штамповки и выбор пресса

Основными технологическими режимами являются усилия, развиваемые при выполнении операций вырубки — пробивки, и усилия, необходимые для снятия полосы или детали с пуансонов, а также проталкивания детали или отходов через провальные отверстия матрицы.

Расчетное усилие вырубки Р _В (пробивки Р _П ) определяется по формуле

Р _В (Р _П ) = LSу _СР ,

где L — периметр вырезаемого (пробиваемого) контура (длина линии реза), мм ;

S — толщина материала, мм ;

у _СР — сопротивление срезу, МПа .

Усилие, необходимое для снятия полосы или детали с пуансона, определяется по формуле

Р _СН = (Р _В + Р _П )К _СН ,

где К _СН — коэффициент, зависящий от сложности вырезаемого контура: К _СН = 0,02 — 0,04. Для сложной конфигурации деталей или при многорядной вырезке (пробивке) значение К _СН принимается ближе к верхнему пределу.

Усилие проталкивания детали или отхода через провальное отверстие матрицы Р _ПР определяется по формуле

Р _ПР = (Р _В + Р _П )К _ПР n ,

где К _ПР — коэффициент проталкивания, зависящий от ряда факторов:

К _ПР = 0,05 … 0,10 — при вырезке на провал;

К _ПР = 0,07 … 0,14 — при вырезке с обратным выталкиванием. При этом наибольшие значения К _ПР относятся к тонким материалам;

n — количество деталей, находящихся в пояске (шейке) матрицы:

n = h/S ,

где h — высота пояска матрицы, выбираемая из таблицы 4.

При работе штампа без смазки приведенные значения коэффициентов К _ПР и К _СН увеличивают на 20 … 25 %.

Суммарное усилие, требуемое для выполнения разделительной операции, равно сумме четырех усилий:

Р _С = Р _В + Р _П + Р _СН + Р _ПР .

Таблица 4

Толщина полосы, мм	Высота пояска матрицы, мм
до 0,5	3 … 5
св. 0,5 до 5	5 … 10
св. 5 до 10	10 … 15

В случае применения пружинного, резинового или пневматического съемника к суммарному усилию следует прибавить усилие, требуемое для сжатия буфера Р _Б :

Р _У = Р _С + Р _Б .

Затупление режущих кромок пуансонов, неоднородность материала полосы, изменение величины зазора между пуансоном и матрицей вызывают значительное увеличение усилия вырубки — пробивки. Поэтому при выборе пресса требуемое усилие Р _ПРЕССА берется больше расчетного на 25 … 35 %, т.е.:

Р _ПРЕССА = (1,25 … 1,35) Р _У .

Здесь меньшее значение поправочного коэффициента соответствует большей толщине материала детали.

Усилие пресса можно уменьшить, используя пуансоны и матрицы со скошенными кромками, а также применяя пуансоны различной длины в многопуансонных штампах. Расчет усилий таких штампов, а также усилий гибочных, вытяжных и других операций можно найти в [7,8,9,10,11].

Для операций холодной штамповки применяют в основном кривошипные, гидравлические (для изготовления деталей больших размеров) и прессы-автоматы (при большой программе выпуска мелких деталей).

По технологическому признаку прессы делят на прессы простого, двойного и тройного действия. Первые имеют один движущийся ползун и применяются для вырезки, пробивки, гибки, формовки, неглубокой вытяжки и других операций. Прессы двойного действия имеют два независимо движущихся ползуна: наружный для прижима заготовки, а внутренний — для вытяжки. Прессы тройного действия применяют на автомобильных заводах для штамповки кузовных деталей.

Конструкционно опорная часть пресса выполняется в виде открытой или закрытой станины. При открытой станине имеется доступ к штампу с трех сторон, чем обеспечивается удобство установки и обслуживания штампа. Открытая станина может быть цельнолитой одностоечной, что делает пресс компактным и простым в конструкции, либо двухстоечной. Удобством последней является возможность подачи полосы или ленты в двух направлениях: справа — налево либо спереди — назад. Кроме того, двухстоечные станины делают иногда наклоняемыми для облегчения удаления отштампованных деталей и отходов. Однако прессы с открытой станиной имеют недостаточную жесткость и поэтому их применяют для штамповки деталей невысокой точности в простых штампах.

Более жесткими и мощными являются прессы с закрытой П-образной (арочной) станиной. Доступ к штампу в них возможен лишь с двух сторон, но полоса или лента могут подаваться в двух направлениях (справа — налево через специальные прорези в стойках либо спереди — назад).

Такие прессы наилучшим образом подходят для точной штамповки.

В пояснительную записку необходимо переписать все данные из таблицы. Они потребуются для определения конструктивных параметров штампа, а также для технологических расчетов. Особое внимание следует уделить определению закрытой высоты штампа Н , которая должна находиться в пределах

Н _П — Н _ПЛТ — _П — _С Н Н _П — Н _ПЛТ .

Здесь Н _П — закрытая высота пресса;

Н _ПЛТ — толщина подштамповой плиты;

_П — регулировка положения ползуна;

_С — регулировка положения стола.

7. Проектирование технологической оснастки — штампов

7.1 Выбор схемы действия штампа

Штампы, применяемые для вырубки и пробивки, отличаются большим разнообразием как в отношении выполняемых ими операций, так и по конструктивному оформлению, определяемому характером производства. В массовом производстве применяют сложные штампы, обладающие высокой стойкостью и средствами автоматического контроля параметров. В серийном — используются более простые конструкции и, соответственно, более дешевые в изготовлении. Наконец, в мелкосерийном производстве находят применение наиболее простые и дешевые штампы, а также универсальные штампы, достаточно дорогие, но позволяющие за счет переналадки выполнять несколько штамповочных операций.

По способу действия различают штампы простые, последовательные и совмещенные.

По количеству операций штампы могут быть одно- или многооперационными.

По способу подачи материала — с неподвижным или подвижным упором, с ловителями, с боковыми шаговыми ножами, с ручной или автоматической подачей полосы или ленты и т. д.

Схемы различных типов штампов приведены в [7,8,9,10,11].

Объем выпуска продукции в значительной степени определяет не только конструктивную схему штампа, но также форму и размеры вспомогательных деталей. Однако, несмотря на это многие штампы, предназначенные для выполнения самых разнообразных операций, имеют большое количество деталей одинакового назначения и устройства. Это позволяет независимо от масштабов производства применять в любых штампах большое количество нормализованных деталей и узлов или в том виде, в котором они оговорены нормалями, или с небольшой доработкой.

В большинстве случаев при соблюдении всех требований технологического характера изготовление штампованных деталей может быть осуществлено различными технологическими способами. При этом решающую роль при выборе типа штампа играют вопросы экономической целесообразности. Наибольшие затруднения возникают при выборе типа штампа совмещенного или последовательного действия. Оба типа штампов, как и сами способы штамповки, имеют достоинства и недостатки и определенные ограничения как технологического, так и экономического характера.

Сравнительная характеристика совмещенных штампов и штампов последовательного действия приведена в табл. 5.

Спроектированные штампы при эксплуатации должны прежде всего обеспечить получение деталей в соответствии с технологической документацией, безопасность работы и возможность их ремонта. При невысоких требованиях к точности штампуемых деталей достаточно простых конфигураций этим целям отвечают штампы последовательного действия. Такие штампы обеспечивают высокую производительность за счет автоматического удаления деталей через провальное окно.

Технологическая схема последовательной штамповки приведена на рис.1.

Рис.1. Схема последовательной штамповки.

Здесь готовая деталь получается в одном штампе за два хода ползуна пресса. За первый ход пробивается отверстие в заготовке, а затем, после подачи полосы или ленты влево на один шаг вырубается деталь.

Таблица 5

Показатель	Характеристика штампа
	совмещенного типа	последовательного типа
Точность штамповки	Повышенная и средняя (9 — 11 квалитеты)	Средняя и пониженная (12 — 15 квалитеты)
Качество вырубленных деталей	Отсутствие погнутости, лучший срез. Одновременная правка	Погнутость (выворачивание) небольших деталей
Наибольшие размеры деталей и средний диапазон толщины	Свыше 3000 мм при толщине до 5 мм (диапазон толщин от 0,05 до 6-8 мм)	Вытяжные до 250 мм при толщине от 0,2 до 3 мм; разделительные и гибочные — до 5000 мм толщиной до 10 мм
Производительность штамповки	Меньшая производительность	Повышенная производительность
Работа на быстроходных прессах-автоматах