Как выдавить в металле
В зависимости от характера течения металла в процессе штамповки выдавливанием можно выделить несколько технологических операций, применение которых (последовательно или одновременно) позволяет получить то большое многообразие поковок, штампуемых выдавливанием из сортового проката, которое необходимо для удовлетворения нужд производства.
Прямое выдавливание (прессование) —технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла 2, заключенного в замкнутую полость (контейнер 3), в направлении движения рабочего инструмента 1 через отверстие (очко матрицы), форма которого определяет поперечное сечение выдавливаемой части деформируемой заготовки (рис. 1.2, а, б). Прямое выдавливание применяют для получения сплошных поковок, форма которых соответствует стержню с утолщением на одном конце (например, поковок тарельчатых клапанов, шаровых пальцев, ступенчатых валов и др.), а также труб. В последнем случае в качестве исходной заготовки для выдавливания может быть использована труба (полая заготовка), которая насажена па оправку 4.
В процессе прямого выдавливания па стационарной стадии только часть заготовки, расположенная в воронке матрицы и вблизи нее, деформируется пластически. Для прямого выдавливания необходимо перемещение недеформируемой части заготовки относительно стенок контейнера. Это означает, что для преодоления сил контактного трения, возникающих на боковой поверхности контейнера и заготовки, следует приложить дополнительные силы и затратить дополнительную работу. По ходу выдавливания поверхность заготовки, на которой действуют силы трения, уменьшается, соответственно уменьшается сила, необходимая для ведения процесса.
Редуцирование — технологическая операция (разновидность прямого выдавливания), которая характеризуется тем, что схема напряженного состояния в поперечных сечениях стержня, расположенных выше и ниже очага пластической деформации, является одноосной и нормальное напряжение не превышает напряжение текучести (рис. 1.2, в). Это условие позволяет проводить редуцирование без использования контейнера, но накладывает ограничение на коэффициент редуцирования, который не может быть больше определенного значения, обусловленного длиной редуцируемого стержня, материалом а другими факторами.
Обратное выдавливание — технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла из замкнутой полости в направлении, обратном (встречном) движению рабочего инструмента, в зазор между пуансоном и матрицей со скоростью v или через отверстие в движущемся рабочем инструменте (рис. 1.3). Пуансон перемещается со скоростью г0, а скорость матрицы г>2 = 0. Обратное выдавливание применяют для изготовления поковок с полостями типа стаканов (например, поковки корпуса карданного подшипника, толкателя клапана, поршневого пальца и др.).
В процессе обратного выдавливания, как правило, не весь объем заготовки находится в пластическом состоянии. Недеформируемый объем заготовки, расположенной под торцом пуансона, неподвижен относительно стенок матрицы. Благодаря этому для установившейся стадии обратного выдавливания деформирующая сила постоянна. Поперечное сечение полой поковки может быть цилиндрическим, сферическим, коническим, прямоугольным и др., от чего зависят характер течения металла при выполнении ОПЕРАЦИИ и предельная глубина полости, получаемой за один переход.
Боковое выдавливание — технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстия в его боковой поверхности, а боковые полости (рис. 1.4). Боковое выдавливание применяют для изготовления поковок с боковыми отростками (например, поковок крестовины карданного вала, корпуса газосварочной аппаратуры [32], втулок с фланцами и др.).
Радиальное выдавливание — технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла из замкнутой полости (контейнера) через щель, расположенную по периметру боковой поверхности, в кольцевую полость (рис. 1.5). Радиальное выдавливание применяют для изготовления поковок с фланцами (например, поковок звездочки шестерни, крышки и др.) [29].
Характер течения металла в указанных выше основных операциях штамповки выдавливанием обусловлен многими факторами, в частности, в операциях прямого и обратного выдавливания направлением сил трения, которые могут способствовать течению или создавать дополнительное сопротивление. Направление сил трения влияет не только на силовые и энергетические параметры процессов выдавливания, но и на равномерность распределения деформаций в поковке, что определяет характер распределения и величины остаточных напряжений. Применение последующей термической обработки для снятия остаточных напряжений удорожает себестоимость поковок и приводит к включению в технологический процесс дополнительных отделочных операций. Разработка схем выдавливания с активным действием сил трения не только повышает стойкость инструмента, но и способствует улучшению качества поковок. В некоторых случаях изменение направления сил трения позволяет существенно повысить эффективность выдавливания, что будет показано ниже. На рис. 1.6 приведена схема обратного выдавливания тонкостенных стаканов с фланцами.
Заготовку осаживают между двумя пуансонами при их постепенном опускании; в результате выдавливаемый из-под торцов пуансонов металл образует стенку стакана. При этом на боковой контактной поверхности между заготовкой и матрицей возникают силы трения, направленные вверх. Такое действие сил трения называют активным. Эта схема выдавливания в некоторой степени напоминает схему чистовой вырубки.
В условиях бокового и радиального выдавливания .характер свободного течения металла в боковые полости зависит от условий деформирования — одностороннего или двустороннего. В случае одностороннего деформирования форма выдавливаемого бокового отростка или фланца не симметрична относительно его срединной поверхности. В случае двустороннего деформирования сохраняется симметрия форм, как и в случае простой осадки. Характер течения определяет различия в распределении деформаций, остаточных напряжений, в величинах силовых и энергетических параметров.
На рис. 1.7 приведен пример поковки, полученной штамповкой выдавливанием, которая включает последовательное выполнение редуцирования и радиального выдавливания. Для изготовления таких поковок необходимы определенные ограничения. Так, в данном случае для изготовления ступенчатого стержня с фланцем необходимо, чтобы в начале штамповки произошло редуцирование, а потом радиальное выдавливание.
Для получения полого стакана с ребрами необходимо боковое и, на заключительной стадии, обратное выдавливание. Классификация поковок, получаемых штамповкой выдавливанием, приведена в работах [5, 19, 29].
Штамповку выдавливанием применяют для получения поковок преимущественно из низкоуглеродистых к низколегированных сталей, в некоторых случаях из среднеуглеродистых. Прочностные характеристики металлов и сплавов являются решающим фактором, определяющим пригодность к холодной штамповке выдавливанием. Как правило, наибольший предел прочности на разрыв материала, пригодного для выдавливания в состоянии поставки, не должен превышать 600 МПа. Во многих случаях пригодность материала к холодной штамповке выдавливанием оценивают твердостью, которая в состоянии поставки должна быть 230 НВ. Показано [47], что повышение с 0,1 до 0,3% углерода в сталях приводит к увеличению удельной деформирующей силы выдавливания примерно на 25%. Режимы термической обработки для разных сплавов приведены в работе [47], согласно которым для среднеуглеродистых сталей необходима наиболее полная сфероидизация цементита. Размер зерен определяется, как правило, эксплуатационными свойствами деталей. Сопротивление деформированию сплавов с крупнозернистой структурой рассмотрено ниже.
Для успешного применения штамповки выдавливанием важен правильный выбор смазочного материала, который должен способствовать снижению удельной силы выдавливания и повышению качества поверхности. Смазочный материал должен быть достаточно прочным, пластичным и термостойким, чтобы обеспечить разделение поверхностей инструмента и деформируемой заготовки в процессе деформирования. При выдавливании сплавов меди в качестве смазочных материалов используют графит с индустриальным маслом, а при выдавливании алюминия—минеральное масло или графит. Недостаток первого — выдавливается с контактной поверхности, а второго — ухудшает внешний вид поковки. Если требуется получить полированную поверхность алюминиевых поковок, то выдавливание осуществляют без смазки.
На производстве для холодного выдавливания углеродистой стали используют покрытия фосфатом цинка с последующим омыливанием. Технология фосфатированвя стальных заготовок разработана в ЭНИКмаше [5, 47]. Стали, легированные никелем, и коррозионно-стойкие, оксалатируют [42]. Толщина фосфатного слоя зависит от качества подготовки поверхности стали, предназначенной для холодной штамповки выдавливанием, удельной силы выдавливания, температурно-скоростных условий, величины деформации. Наименьшая толщина фосфатного слоя 10 мкм, наибольшая 50 мкм.
34. Холодное выдавлевание листового металла
Операции холодной объемной штамповки в настоящее издание справочника не включены. Все сведения и рекомендации по холодной объемной штамповке, содержащиеся в предыдущем издании справочника, остаются в силе.
В листовой штамповке холодное выдавливание является операцией по изготовлению полых тонкостенных деталей преимущественно из листовой заготовки в результате пластического истечения металла в зазор между пуансоном и матрицей.
Процесс холодного выдавливания заключается в следующем: заготовка, имеющая объем, равный объему детали с припуском на обрезку, помещается в гнездо матрицы; давлением пуансона металл приводится в весьма пластичное состояние и выдавливается в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей. Применение холодного выдавливания в массовом производстве дает снижение трудоемкости в пять-десять раз и уменьшение стоимости инструмента в три раза.
В настоящее время холодным выдавливанием изготовляют детали из алюминия, меди, томпака, латуни и цинка (последний с нагревом до 200° С), а также из малоуглеродистой стали (меньшей высоты и большей толщины).
Рис. 202. Способы холодного выдавливания
- прямой способ (рис. 202, а), когда течение металла направлено в сторону рабочего движения пуансона;
- обратный способ (рис. 202, б), когда течение металла идет в направлении, обратном рабочему ходу пуансона;
- комбинированный способ (рис. 202, в), представляющий сочетание прямого и обратного способов.
Прямым способом обычно изготовляют гильзы и трубки небольшого диаметра.
Для изготовления гильз с донышком прямым способом заготовка должна быть в виде диска или лучше в виде толстостенного колпачка. Оставшийся фланец обрезается в том же штампе под другим обрезным пуансоном, для чего применяют поворотные или передвижные пуансоны.
Прямой способ холодного выдавливания требует меньшего усилия пресса, так как обычно осуществляется при меньшей степени деформации, что позволяет работать с большим числом ходов пресса (до 90-120 ход/мин).
Отношение толщины стенок готовой детали к толщине заготовки составляет от 1:4 до 1:25, что дает степень деформации от 75 до 96%.
В табл. 115 приведены размеры и точность деталей, изготовляемых прямым способом холодного выдавливания.
Таблица 115. Размеры деталей, изготовляемых прямым способом холодного выдавливания
| Наименование | Размеры в зависимости от материала детали, мм | Точность изготовления, мм (±) | |
| Свинец, олово, цинк, алюминий | Дуралюмин, медь, латунь | ||
| Диаметр (цилиндрические детали) | От 3 до 100 | От 5 до 100 | От 0,03 до 0,05 |
| Сечение (прямо угольные детали) | От 2 X 4 до 100 X 80 | От 3 x 5 до 70 X80 | От 0,03 до 0,05 |
| Толщина стенок | От 0,05 до 0,1 и больше | От 0,3 до 1,0 (медь) От 0,5 и больше (латунь) | От 0,03 до 0,075 |
| Отношение длины детали к диаметру | От 5d до 60d | От 3d до 40d | От 1 до 5 |
| Толщина фланца | От 0,2 - 0,3 до 0,5 и больше | Равна толщине стенки и больше | От 0,1 до 1,0 мм |
Обратный способ холодного выдавливания применяется для изготовления цилиндрических и призматических полых изделий диаметром до 120 мм, с толщиной стенок от 1,5 до 0,08 мм и высотой до 300 мм при отношении высоты к диаметру 8:1.
В табл. 116 даны размеры и точность деталей, изготовляемых обратным способом холодного выдавливания.
116. Размеры деталей, изготовляемых обратным способом холодного выдавливания
| Наименование | Размеры в зависимости от материала детали, мм | Точность изготовления, мм (±) | |
| Свинец, олово, цинк, алюминий | Дуралюмин, медь, латунь | ||
| Диаметр (цилиндрические детали) | От 8 до 100-150 | От 10 до 50-70 | От 0,03 до 0,05 |
| Сечение (прямо угольные детали) | От 5 x 7 до 70 x 80 | От 6 x 9 до 20 x 40 | От 0,03 до 0,05 |
| Толщина стенок | От 0,08 до 0,23 и больше | От 0,5 до 1,0 (медь) От 1,0 и больше (латунь) | От 0,03 до 0,075 |
| Толщина основания | От 0,25-0,3 до 0,5 и больше | Равна толщине стенок и больше | От 0,10 до 0,2 |
| Отношение длины детали к диаметру | От 3:1 до 10:1 (свинец), 8:1 (алюминий) | От 3: 1 до 5: 1 | От 1 до 3 |
Комбинированный способ холодного выдавливания применяется для изготовления деталей более сложной формы, с фигурным дном, имеющих отростки, выступы и шипы, а также с дном, расположенным внутри гильзы.
| Рис. 203. Штамп для холодного выдавливания алюминиевых деталей обратным способом. | Рис. 204. Штамп для холодного выдавливания с движущейся матрицей и гидравлическим мультипликатором. |
На рис. 203 изображен штамп для холодного выдавливания обратным методом. Штамп имеет следующие особенности: пуансон (быстросменный) закрепляется при помощи цангового зажима; матрица сделана составной, с горизонтальной плоскостью разъема; съемник сделан подвижным пружинным для удобства съема высоких деталей (без увеличения длины пуансона). Составная матрица более стойка, ее более просто изготовить и термически обработать.
На рис. 204 приведен штамп, осуществляющий новый способ 2 холодного выдавливания полых тонкостенных деталей с эффективными силами трения путем деформации сплошной заготовки между двумя пуансонами - неподвижным 1 и рабочим пуансоном 5 с истечением металла в кольцевой зазор между последним и стенками движущейся матрицы 2. В процессе выдавливания матрица перемещается в направлении течения металла со скоростью, превышающей скорость истечения в 1,2-1,3 раза. Таким образом, движущаяся матрица не только не оказывает сопротивления течению металла, но создает эффективные, положительно направленные силы трения, способствующие течению металла заготовки.
2 Авторы Ю. П. Можейко и Н. К. Ровенталь.
Штамп снабжен гидравлическим устройством, создающим рабочий ход поршня 6 и закрепленного в нем пуансона 5. Это устройство является своеобразным гидравлическим мультипликатором, увеличивающим рабочее усилие выдавливанием в 14 - 15 раз по сравнению с усилием пресса. Для этого усилие ползуна пресса передается двумя плунжерами 4 жидкости, находящейся в нижней части обоймы 3.
Давление жидкости действует на поверхность поршня 6 и создает рабочее усилие выдавливания во столько раз большее усилия, передаваемого ползуном пресса и плунжерами 4, во сколько раз площадь поршня больше торцовой поверхности плунжеров. В последнее время этот метод был развит и модифицирован рядом других исследователей.
Весьма эффективно применение холодного выдавливания для изготовления стальных деталей. Здесь также существуют три способа холодного выдавливания: обратный, прямой и комбинированный.
В табл. 117 приведена допустимая степень деформации при холодном выдавливании стальных деталей.
После каждой операции с большой степенью деформации производится отжиг в защитной атмосфере при 720° С, обкатка в барабане и фосфатирование заготовок с последующим их отмыливанием. Отжигу и фосфатированию подвергаются и исходные заготовки.
Таблица 117. Допустимая степень деформации при холодном выдавливании стальных деталей
| Допустимые деформации | Способы выдавливания | |||
| Обратный | Прямой | |||
| Значение показателя | Численная величина % | Значение показателя | Численная величина % | |
| Степень деформации поперечного сечения | E = (d2/D2)100* | 40 - 70 | E = (1 - d2/D2)100 | 50 - 90 |
| Относительное уменьшения толщины стенки полой заготовки | - | - | εS = (S0 - S)/S0 100 | 50 - 75 |
| Относительное уменьшение диаметра полой заготовки | - | - | εS = (d0 - d)/d0 100 | 10 - 28 |
*Диаметр заготовки равен наружному диаметру детали D. В соответствия с размерами деталей допустимы деформации ниже приведенных в таблице
Холодное выдавливание стальных деталей рассмотрено в справочнике по холодной объемной штамповке.
За последние годы освоены новые процессы холодного выдавливании стальных деталей. К ним относится способ холодного выдавливания стальных деталей с отверстиями из сварных кольцевых заготовок, изготовляемых на сварочном автомате.
На рис. 205, а показаны заготовки, на рис. 205, б - готовые детали.
Рис. 205. Стальные детали, полученные холодным выдавливанием на сварных кольцевых заготовок
Кольцевые заготовки после гибки и сварки с удалением грата подвергаются нормализации или низкому отжигу, травлению, фосфатированию и смазке. Этот способ дает экономию металла на 80-90% и экономию по заработной плате в размере 30-40% по сравнению с обработкой резанием.
В СССР и ЧССР освоен весьма интересный способ безотходного изготовления состыкованных шайб из проволочной заготовки. Эти шайбы отличаются от обычных 4 см, что имеют стык в поперечном сечении. Установлена полная эксплуатационная пригодность шайб и на них были разработаны специальные стандарты. Преимущества шайб нового типа заключаются в громадной экономии материала - 96% использования металла вместо 38% при вырубке из полосы. Для массового производства шайб создан специальный автомат ТНР18 3 (рис. 206).
Рис. 206. Схема работы автомата для изготовления шайб из проволоки
Производительность автомата до 250 шт/мин. Материалом для изготовления является отожженная и калиброванная проволока прочностью σв 2 .
В настоящее время существуют различные формулы для определения усилий колодного выдавливания. Приводим приближенную формулу Говарда, пересчитанную на метрические меры:
, где р - давление выдавливания, кгс/мм 2 ;
F0 и F - площади поперечного сечения заготовки и изделии;
В и С -опытные коэффициенты (табл. 118).
Таблица 118. Значения опытных коэффициентов
| Марка стали | Содержание углерода, % | Коэффициенты, кгс/мм 2 | |
| В | С | ||
| 10 | 0,1 | 22 | 63 |
| 20 | 0,2 | 23 | 71 |
| 30 | 0,3 | 25 | 80 |
, где Fп - площадь поперечного сечения пуансона, мм 2 .
Усилие на установившейся стадии обратного выдавливания можно определить по другой приближенной формуле:
, где F - площадь поперечного сечения заготовки;
Fп - площадь поперечного сечения пуансона;
kс - коэффициент, имеющий следующие значения: для алюминий kc = 3,5/4, для меди, латуни и малоуглеродистой стали kc = 2,5/3,
Приведенные формулы не учитывают всех параметров процесса, влияющих на требуемое усилие вдавливании (геометрии инструментов, скорости деформирования, рода смазки и др.).
На практике требуемое давление пресса подсчитывают по упрощенной формуле:
, где q - приближенное значение давления (табл. 119).
Таблица 119. Приближенное значение давления (кгс/мм 2 ) для холодного выдавливания.
| Материал | Прямой способ | Обратный способ |
| Алюминий | 40 - 70 | 80 - 120 |
| Медь | 60 - 100 | 150 - 200 |
| Латунь Л68 | 80 - 150 | 180 - 250 |
| Стали 10,15 | 100 - 180 | 200 - 300 |
Сопротивление деформации или давление при холодном выдавливании в значительной мере зависит от степени деформации.
Кривошипные прессы пригодны для холодного выдавливания, если величина рабочего хода (глубина вдавливания пуансона), не превышает 5 мм. Рекомендуется выбивать эти прессы с номинальным усилием в 1,5-2 раза больше расчетного.
- требуется чистота химического состава и однородность структуры материала заготовки. Для алюминия рекомендуются марки А0, А1, твердостью до НВ 25;
- желательна гладкая поверхность среза вырезанной заготовки, заусенцы недопустимы.
Для обеспечения первого требования вырубленные заготовки обычно подвергают отжигу (с травлением, промывкой и сушкой). Для получения гладкой поверхности среза вырубка производится штампом со снятой фаской на режущих кромках матрицы, а также рекомендуется вырезка заготовок пуансоном, размеры которого больше размеров матрицы. В производстве зарекомендовал себя трехрядный вырезной штамп, у которого пуансоны на 0,4-0,6 мм больше отверстия матрицы, вследствие чего вырезка происходит без захода пуансонов в матрицу. Остающаяся соединительная перемычка настолько слаба, что отламывается при ручной подаче полосы. При этом способе поверхность среза соответствует 5-6-му классу по ГОСТ 2789-73.
Для удаления заусенцев и очистки поверхности заготовки обкатывают в барабане с древесными опилками, смоченными бензином. После просеивания опилок заготовки промываются в бензине или бензоле.
Холодное выдавливание алюминиевых парфюмерных тюбиков производится из шестигранных заготовок, вырубаемых шестирядным штампом при безотходном раскрое полосы. В данном случае после вырубки заготовки подвергаются отжигу при 520-560°С, травлению в кальцинированной соде, промывке, сушке и обкатке в барабане с кашалотовым жиром.
Фирма "Герлан" (ФРГ), выпускающая прессы для холодного выдавливания, применяет в качестве смазки алюминиевых заготовок цинковую пудру.
Толщина заготовки находится по формуле:
, где V - объем детали с припусками на обрезку; F0 - площадь заготовки.
Припуск на обрезку неровных кромок принимают равным:
, где h - высота детали по чертежу, причем наименьшее значение коэффициента берут для сравнительно низких, а наибольшее - для сравнительно высоких деталей.
Решающее значение для холодного выдавливания имеет выбор наилучшего типа смазки, выдерживающей высокие рабочие давления и не теряющей вязкости при нагреве.
- для алюминия - 20-процентный раствор животного жира в бензоле или смесь цилиндрового масла с воском в пропорции 1:1 (расход 300 г на 15-16 м2); кусковой кашалотовый жир;
- для меди и латуни - животные жиры или графитная смазка в составе: пять частей отмученного графита и две части машинного масла (при 200° С);
- для цинка - животные жиры, ланолин и тальк;
- для стали - фосфатирование поверхности погружением заготовок в кислые фосфатные растворы с последующим пропитыванием мыльной эмульсией.
Заготовки смазываются двумя способами: путем погружения в баки или во вращающиеся барабаны. Слой смазки должен быть равномерным. При наличии частичных несмазанных мест заготовки неизбежен брак в виде обрывов и перекосов стенок.
19. Процесс вытяжки листовых металлов
Вытяжка представляет собой процесс превращения плоской заготовки в полую деталь любой формы (или дальнейшее изменение ее размеров) и производится на вытяжных штампах.
Рис. 79. Последовательность перемещения металла в процессе вытяжки
На рис. 79 приведена схема вытяжки цилиндрической детали из плоской заготовки и последовательность перемещения металла в процессе вытяжки. Последнее характеризуется уменьшением наружного диаметра фланца и перемещением элементов заготовки (1 - 5) по мере увеличения глубины вытяжки.
При вытяжке кольцевая часть заготовки (D - d) превращается в цилиндр диаметром d и высотой h. Так как объем металла при вытяжке не изменяется, то при полной вытяжке цилиндра высота детали h больше ширины кольцевой части b и составляет
где k = D/d - степень вытяжки. При k = 2, h = 1,5b.
Следовательно, вытяжка происходит за счет пластической деформации, сопровождаемой смещением значительного объема металла в высоту. При большой степени деформации, что соответствует глубокой вытяжке, и при небольшой толщине материала смещенный объем является причиной образования гофров (волн) на деформируемой заготовке. При малой степени деформации и при относительно большой толщине материала гофрообразования не происходит, так как в этом случае смещенный объем металла невелик, а заготовка устойчива.
Для предотвращения образования гофров и складок при вытяжке применяется прижим заготовки складкодержателем.
Вытяжкой изготовляется большое количество полых деталей самой разнообразной формы, отличающихся друг от друга как очертанием в плане, так и формой боковых стенок.
- осесимметричной формы (тела вращения);
- коробчатой формы;
- сложной несимметричной формы.
Каждая из групп подразделяется на несколько разновидностей. Например, тела вращения по форме образующей могут быть цилиндрическими, коническими, криволинейными, ступенчатыми, выпукло-вогнутыми. Построение технологического процесса и технологические расчеты для них различны.
Установлено, что процесс глубокой вытяжки с прижимом начинается не с пластической деформации фланца заготовки, а с предшествующей ей начальной стадии процесса, заключающейся в местной пластической деформации кольцевой не зажатой части заготовки [117].
 Рис. 80. Последовательность процесса глубокой вытяжки с прижимом заготовки |
На рис. 80 приведена последовательность процесса глубокой вытяжки с прижимом заготовки: на верхних схемах показана начальная стадия процесса вытяжки, состоящая из локальной пластической деформации свободного кольцевого участка а при зажатом фланце, сохраняющем свои начальные размеры DФ = D0. Эта стадия вытяжки осуществляется за счет растяжения и утонения кольцевого участка, причем наибольшее утонение возникает на границе этого участка с плоским дном.
По мере погружения пуансона тянущее усилие возрастает, а растяжение и утонение свободного участка заготовки увеличиваются. К концу этой стадии происходит пластическая деформация донной части заготовки. После достижения равновесия между тянущими усилием и сопротивлением фланца деформированию начинается вторая стадия процесса вытяжки, заключающаяся в пластической деформации фланца и втягивании его в матрицу (см. схемы II на рис. 80). Таким образом, процесс глубокой вытяжки с прижимом состоит из двух технологически различных стадий: начальной и завершающей. При вытяжке без прижима с малой степенью деформации начальная стадия практически отсутствует.
В начальной стадии процесса глубокой вытяжки возникает значительное утонение свободного участка, которое в процессе дальнейшей деформации превращается в опасное сечение.
Во второй стадии вытяжки имеет место сложная пластическая деформация, в процессе которой элемент плоской заготовки I (рис. 81, а) изменяет свои размеры (удлиняется в радиальном и укорачивается в тангенциальном направлении) и занимает положение //, а затем подвергается изгибу и превращается в элемент боковой поверхности полого изделия.
Рис. 81. Деформация элемента фланца (а) и схема образования гофров (б) при вытяжке
Условие пластичности деформируемого фланца, определяющее момент перехода его в пластичное состояние, выражается уравнением (с учетом знаков напряжений) σ r + σ t = 1,15σ\f2 t.
Вначале для элемента заготовки I, находящегося вблизи наружного края фланца (рис. 81, а), наибольшей является деформация тангенциального сжатия, средней - деформация удлинения в радиальном направлении, а наименьшей - утолщение металла.
В результате деформации тангенциального сжатия при вытяжке тонкого материала легко возникает потеря устойчивости фланца, благодаря чему на нем образуются гофры. В толстом материале, при тех же размерах заготовки и изделия, возникновение гофров затруднено благодаря большей устойчивости фланца заготовки.
При перемещении элемента к вытяжному ребру матрицы наибольшей становится деформация рациального удлинения, так как тангенциальное сжатие постепенно уменьшается. При переходе элемента через вытяжное ребро матрицы эта деформация элемента усложняется появлением дополнительной деформации пространственного изгиба. После этого элемент заготовки переходит в криволинейно-вертикальную стенку и претерпевает небольшое осевое удлинение вдоль образующей, при утонении материала.
Дно изделия подвергается небольшому плоскому удлинению (1-3%) и утонению (2-5%), которыми в большинстве случаев практически можно пренебречь.
Произведенные опыты показывают, что деформация цилиндрических стенок в зазоре и у донного закругления продолжается на протяжении всего рабочего хода и сопровождается непрерывным уменьшением толщины материала.
На рис. 81, бприведена схема образования гофров (волн) по краю вытягиваемого фланца.
Под действием напряжений тангенциального сжатия происходит потеря устойчивости фланца заготовки и образование волнообразного гофра (l1, этап 1). В результате ударного приложения нагрузки к заготовке возникший гофр упруго деформирует складкодержатель и его крепление и увеличивает зазор между ним и матрицей. Дальнейшее действие тангенциального сжатия усиливается вследствие непрерывного уменьшения наружного диаметра заготовки при вытяжке. Это приводит к сплющиванию гофрированной волны (этап 2), а затем к потере устойчивости плоской части гофра, которая прогибается в обратную сторону (этап 3). В результате образуется более мелкий гофр, в котором вместо одной возникли три волны длиной l2 (этап 4).
Процесс гофрообразования продолжается скачкообразно и дальше до тех пор, пока не образуется вполне устойчивый мелкий гофр. В зависимости от различной степени устойчивости фланца заготовки, харакгеризуемой отношением S/d, а также от различной степени деформации К = D/d первоначально возникает различное количество волн по окружности.
При достаточно большой относительной толщине заготовки гофрирования не происходит, так как фланец не теряет устойчивости в процессе вытяжки.
Наиболее опасным местом детали является зона перехода от дна к стенкам вследствие возникшего здесь в начальной стадии вытяжки значительного утонения материала и больших растягивающих напряжений.
При большой степени деформации или в случае образования складок на заготовке растягивающие напряжения в опасном сечении превышают его прочность и приводят к отрыву дна. Условие прочности опасного сечения определяет возможную степень деформации при вытяжке и выражается зависимостью:
Здесь σmах - максимальное напряжение в опасном сечении; σр - истинное сопротивление разрыву.
- уменьшении напряжений в начальной стадии вытяжки;
- уменьшении сопротивления плоского фланца деформированию;
- повышении прочности металла в опасном сечении;
- снижении тангенциальных напряжений сжатия в деформируемом фланце или повышении его устойчивости с целью предотвращения образования складок.
В результате выполнения указанных условий достигают увеличения глубины вытяжки за одну операцию, уменьшения количества операций, улучшения процесса вытяжки деталей сложной формы. Необходимо указать, что при разных способах вытяжки не все из указанных выше условий будут одинаково благоприятны.
В технологическом отношении способы вытяжки необходимо различать главным образом по виду напряженного состояния деформируемой части заготовки. Геометрическая форма детали является в этом отношении вторичным признаком.
Следует различать три основных способа вытяжки.
1. Вытяжка полых деталей путем превращения плоского фланца в цилиндрическую или коробчатую форму, при создании во фланце плоского напряженного состояния по схеме сжатие-растяжение (рис. 81). Сюда относится вытяжка цилиндрических, овальных, коробчатых и других деталей с вертикальными или слегка наклонными стенками.
2. Вытяжка сферических, криволинейных и сложной формы деталей в штампах с вытяжными (тормозными) ребрами. В этом случае под прижимом преобладают растягивающие напряжения и деформации, а в остальной деформируемой части заготовки возникает напряженное состояние двустороннего растяжения.
3. Вытяжка эластичной матрицей и фрикционная вытяжка, создающие заталкивание заготовки, в результате чего снижаются растягивающие напряжения в очаге деформации и облегчается процесс вытяжки.
В первом способе вытяжки наиболее благоприятные условия деформирования заключаются в максимально возможном уменьшении сопротивления плоского фланца деформированию. Это достигается путем применения металла пониженной прочности, отжигом заготовки, нагревом фланца, вытяжкой без прижима, эффективной смазкой. В результате снижаются растягивающие напряжения в опасном сечении, улучшается условие прочности этого сечения и становится возможной более глубокая вытяжка.
Во втором способе вытяжки в штампах с вытяжными ребрами значительная часть заготовки вначале находится вне контакта с рабочими частями штампа и легко образует гофры и морщины. Для их предотвращения приходится создавать повышенные радиальные растягивающие напряжения и искусственно увеличивать сопротивление деформируемого металла путем перетягивания его через вытяжные (тормозные) ребра. При этом значительно возрастают растягивающие напряжения в опасном сечении и ухудшается условие его прочности. Для того чтобы в данном случае создать благоприятные условия деформировании и избежать разрыва, надо обеспечить условие прочности опасного сечения. Это возможно лишь при применении металла повышенной прочности и упрочняемости при достаточно высокой пластичности (вязкости).
Автором исследован и предложен способ вытяжки из закаленных и отпущенных тонколистовых заготовок малоуглеродистой стали, давший положительные результаты [-109]. Отжиг или нагрев заготовок с целью увеличения пластичности в данном случае недопустим, так как приводит к понижению их прочности и преждевременному разрыву.
Третий способ вытяжки обладает наиболее благоприятными условиями деформирования, потому что в этом случае прочность опасного сечения позволяет получить значительную степень деформации.
Рис. 82. Схемы напряжений и деформаций при вытяжке (σ - напряжения, ε - деформации; индексы у σ и ε означают: r - радиальные; t - тангенциальные: s - осевые)
На рис. 82 приведены схемы напряженно-деформированного состояния в разных участках изделия при обычной вытяжке с прижимом (складкодержателем).
Для наглядного представления о характере деформации и возможности определения ее величины на отдельных участках применяют метод нанесения на заготовку прямоугольной или радиально-кольцевой координатной сетки, а затем изучают ее искажение при вытяжке. Измерения искаженной сетки показывают, что в первой операции вытяжки деформация тангенциального сжатия превосходит деформацию радиального растяжения.
При вытяжке происходит изменение толщины стенок деталей. В случае вытяжки цилиндрических деталей без фланца наибольшее утонение составляет 10-18%, а утолщение у края 20-30% от толщины материала. Толщина материала в месте перехода от дна к стенкам уменьшается с увеличением степени деформации, относительной толщины заготовки S/D, пластичности металла, количества операций вытяжки и с уменьшением радиусов закругления пуансона и матрицы.
Приблизительная толщина края определяется из следующих зависимостей:
где S', S - толщина края детали и заготовки, мм;
D, d - диаметр заготовки и вытяжки, мм;
DФ - диаметр фланца, мм.
Более показательно исследование изменения координатной сетки в логарифмических деформациях 1 .
Удлинение в радиальном направлении:
, где r0 - начальный радиус сетки на заготовке;
r - конечный радиус той же сетки после вытяжки.
Сжатие (укорочение) в тангенциальном направлении:
, где d0 - начальный, a d - конечный диаметр сетки.
Изменение толщины материала:
При этом вследствие постоянства объема металла существуют зависимости (с учетом знаков деформаций):
Рис. 83. Деформации при цилиндрической вытяжке
На рис. 83 приведены кривые изменения логарифмических деформаций (εr, εt и εS ) разных точках вытянутого цилиндрического изделия А, В, С, D. Эти кривые показывают, что на участке донного закругления и несколько выше, где происходит утонение материала.
Холодная высадка, ее сущность, продукция
1. Объемная холодная штамповка – это процесс, при котором происходит уменьшение пластичности металла и одновременное увеличение его прочности. Благодаря упрочению, которое происходит на определенных этапах обработки, деформирование заготовки во время последующих операций оказывается затруднено. Вредное влияние упрочнения может быть устранено, для этого применяется межоперационная термообработка или рекристаллизационный отжиг.
Объемная холодная штамповка делает возможным получение деталей высокой точности. Поверхность таких деталей отличается хорошим качеством, при этом необходимости в обработке резанием в процессе изготовления детали почти не возникает. Холодная штамповка исключает нагрев изделия в процессе его производства, благодаря отсутствию нагрева формируются благоприятные предпосылки для автоматизации технологического процесса. Последнее же, в свою очередь, влияет на улучшение условий труда, что приводит естественным образом к повышению производительности.
Для массового производства небольших поковок обычно без последующей механической обработки применяют объемную штамповку металла в холодном состоянии на кузнечных автоматах – холодновысадочных, обрезных, гибочных и др.
К этому виду штамповки относят объемную штамповку без нагрева: осадку, выдавливание, высадку, калибровку, чеканку.
Холодной объемной штамповкой изготовляют небольшие детали из стали, цветных металлов и их сплавов. При этом по сравнению с обработкой резанием сокращаются технологические отходы металла и время обработки в несколько раз.
2. Холодное выдавливание – операция по формообразованию сплошных или полых изделий, благодаря пластическому течению металла из замкнутого объема через отверстия соответствующей формы. Особенностью процесса является образование в очаге деформации схемы трехосного неравномерного сжатия, повышающего технологическую пластичность материала.
Холодное выдавливание является одной из наиболее распространенных операций объемной холодной штамповки. Сущность его заключается в том, что массивная заготовка под давлением пуансона перемещается в кольцевой зазор между матрицей и пуансоном и образует полую деталь с дном или трубку с фланцем.
В зависимости от направления течения металла различают:
- прямое выдавливание – применяется для получения сплошных удлиненных поковок;
- обратное выдавливание – применяется для получения пустотелых поковок;
- боковое выдавливание – применяется для получения поковок с отростками;
Существуют четыре способа выдавливания: прямой, обратный, комбинированный и боковой.
Прямой способ (рис. 49, а)характеризуется тем, что заготовка перемещается в направлении движения пуансона. Этот способ применяется для изготовления пустотелых деталей с фланцем и иногда – для стержней с большими утолщениями, которые нецелесообразно изготовлять высадкой (трубки с фланцем, стакан с фланцем).
Обратный способ (рис. 49, б),чаще всего встречающийся в производстве, характеризуется тем, что металл течет в направлении, обратном движению пуансона. Этим способом получают полые детали с утолщенным дном, имеющие в плане круглую, прямоугольную или овальную форму, например корпуса конденсаторов, тюбики для зубной пасты и т. п.
Комбинированный способ (рис. 49, в) представляет собой сочетание прямого и обратного способов, т. е. металл течет по нескольким направлениям. Возможны сочетания различных схем.
При боковом выдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона. Таким образом, можно получить детали типа тройников, крестовин и т.п. Для обеспечения удаления заготовок из штампа матрицу выполняют состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, проходящей через осевые линии исходной заготовки и получаемого отростка.
Рис.49 Способы холодного выдавливания:
а – прямой; б – обратный; в – комбинированный; 1 – пуансон; 2 – заготовка; 3 – матрица
Рис.50 Примеры деталей, изготовленных холодным выдавливанием:
а – прямым; б – обратным; в – комбинированным
3. Холодная высадка изделий (рис. 51) представляет собой технологический процесс, в результате которого увеличивается поперечное сечение в заданных участках заготовки за счет пластической деформации в матрицах без предварительного подогрева металла.
Холодная высадка обеспечивает благоприятное расположение волокон макроструктуры, в результате чего повышаются прочность деталей и сопротивление истиранию. Увеличение диаметра заготовки при высадке ограничивается её продольной устойчивостью или вероятностью разрушения с образованием продольных трещин. Потери устойчивости (искривления оси) не происходит, если длина высаживаемой части меньше 2,5 диаметра заготовки. При необходимости высаживать более длинный участок заготовки высадку ведут в несколько переходов, последовательно увеличивая диаметр при соответствующем уменьшении длины высаживаемой части. Для уменьшения опасности разрушения заготовки применяют многопереходную высадку с промежуточным рекристаллизационным отжигом.
Читайте также: