Технология глубокой вытяжки металла
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.
Способ глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок и штамп для его осуществления (варианты)
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности при глубокой вытяжке деталей из тонколистовых заготовок. Тонколистовую заготовку размещают в фиксирующей полости. Прижимают фланец заготовки. На центральную часть заготовки со стороны неподвижного пуансона воздействуют притягивающим усилием. Обтягивают заготовку по пуансону. Притягивающее усилие можно создавать посредством магнитного поля или вакуума. Штамп содержит соосно установленные неподвижный пуансон, прижим, матрицу и полость для фиксации заготовки. Фиксацию заготовки по центру осуществляют, в одном случае, пуансон устанавливают на электромагнит или постоянный магнит, в другом случае, по центру пуансона выполнено отверстие, соединенное с вакуумной системой. На рабочем торце пуансона выполнена кольцевая проточка, в которой размещена эластичная втулка. В результате обеспечивается полное отсутствие гофр и повышение качества. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к глубокой вытяжке деталей из тонколистовых заготовок.
Известен способ вытяжки тонколистовых металлов, заключающийся в проталкивании заготовки пуансоном через очко матрицы (В.П.Романовский, Справочник по холодной штамповке. - Л.: Машиностроение, 1979; стр.80…86; 116…122). Для предотвращения гофрообразования на фланце заготовки при вытяжке тонколистовых материалов применяется прижим (складкодержатель). Величина усилия прижима заготовки должна быть тем больше, чем тоньше штампуемый материал, так как более тонкий материал больше склонен к потере устойчивости (гофрообразованию). Большое требуемое усилие прижима при вытяжке тонколистовых материалов значительно увеличивает силы трения при штамповке и усилие вытяжки, что приводит к разрушению штампуемой заготовки в опасном сечении. Вследствие этого глубокая вытяжка листовых материалов толщиной менее 0,2 мм практически невозможна.
Для уменьшения сил трения при штамповке, а следовательно, и усилия вытяжки применяют различные смазки, состав которых подбирают в зависимости от марки штампуемого материала, габаритов штампуемых деталей, степени вытяжки и т.д.
Недостатки данного способа: невозможность глубокой вытяжки металлов из ленты толщиной менее 0,2 мм, сравнительно небольшая степень вытяжки, необходимость подбора состава смазки и усилия прижима заготовки при вытяжке в каждом конкретном случае, что увеличивает сроки подготовки производства и трудозатраты на штамповку-вытяжку.
Указанных недостатков можно избежать, если штампуемую заготовку разместить в фиксирующую полость, высота которой незначительно больше толщины штампуемой заготовки. В этом случае при размещении заготовки в фиксирующей полости между прижимами штампа устраняются силы трения, и фланец заготовки свободно перемещается в очаг деформации в процессе штамповки-вытяжки, что обеспечивает увеличение степени вытяжки на 40. 60%. Свободное перемещение заготовки в процессе вытяжки в ряде случаев (как показала практика ~ у 50% вытягиваемых деталей) приводит к смещению центра заготовки относительно центра неподвижного пуансона.
Смещение центра заготовки от центра неподвижного пуансона в процессе вытяжки происходит за счет незначительной разновысотности фиксирующей полости, наличия заусенцев на заготовке и неодинаковой потере устойчивости по окружности фланца заготовки при вытяжке. В результате этого на дне тонкостенной вытягиваемой детали появляются гофры, а образующая поверхность детали приобретает разновысотность, достигающую 7…10 мм.
Степень вытяжки можно также увеличить посредством обтягивания штампуемой заготовки на неподвижный пуансон. В этом случае трение между заготовкой и пуансоном в процессе вытяжки является технологически активным и играет положительную роль.
Наиболее близким техническим решением является способ вытяжки полых изделий из листовых заготовок, заключающийся в формообразовании заготовки с одновременным образованием контролируемых гофров во фланцевой части с последующим их разглаживаем. Гофры образуются в канавке, выполненной на поверхности прижима в виде архимедовой спирали. Контролируемые гофры, образующиеся в канавках на фланце заготовки, способствуют увеличению податливости фланца в процессе вытяжки, что влечет за собой увеличение степени и глубины вытяжки. Перед разглаживанием гофров заготовку поворачивают относительно прижима, на котором выполнены канавки в виде архимедовой спирали на угол, при котором гофры или часть гофров на фланце заготовки размещаются на плоском участке прижима между канавками архимедовой спирали. Для свободного гофрообразования на заготовке в спиралевидной канавке и формирования самой спиралевидной канавки в процессе вытяжки между заготовкой и верхним прижимом обеспечивается зазор, равный примерно 10% от толщины заготовки (Патент РФ №2217257, МПК B21D 22/20. Способ вытяжки полых изделий из листовых заготовок, опубл. 27.11.2003).
Недостаток прототипа: сложность изготовления штамповой оснастки и несколько большая по сравнению с предлагаемым способом трудоемкость процесса вытяжки.
Прототип к устройству: В.П.Романовский. Справочник по холодной штамповке. - Л.: Машиностроение, 1979 г, стр.438…455. «Типовые конструкции формоизменяющих штампов (гибочные, вытяжные, комбинированные)».
Недостаток прототипа: сложность и более высокая точность и трудоемкость изготовления штамповой оснастки по сравнению с предлагаемой.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение несоосности вытягиваемой заготовки и неподвижного пуансона, в результате чего повышается качество и полностью устраняется брак штампуемых деталей в процессе их вытяжки.
Использование изобретения позволит получить следующий технический результат:
1. в деталях, полученных заявляемым способом и на предлагаемых устройствах, полностью отсутствуют гофры;
2. в 5…7 раз уменьшается разновысотность в деталях, полученных с использованием заявляемых способа и устройств.
Для решения поставленной задачи в известном способе глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок, включающем размещение заготовки в полости для фиксации, прижим фланца заготовки и обтягивание заготовки по неподвижному пуансону, в процессе вытяжки осуществляют фиксацию заготовки относительно неподвижного пуансона воздействием на центральную часть заготовки усилием притягивания со стороны пуансона. Усилие притягивания можно создать посредством магнитного поля или посредством вакуума.
Для решения поставленной задачи штамп для глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок, содержащий соосно установленные неподвижный пуансон, матрицу и прижим, выполненный с образованием полости для фиксации заготовки, снабжен электромагнитом или постоянным магнитом, пуансон выполнен составным в виде центрального стержня из ферромагнитного материала и соосно установленных на нем промежуточной втулки из немагнитного материала и внешней втулки из ферромагнитного материала, внешний диаметр которой соответствует диаметру пуансона, при этом пуансон размещен на электромагните или постоянном магните. Также поставленная задача может быть решена посредством штампа для глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок, содержащего соосно установленные неподвижный пуансон, матрицу и прижим, выполненный с образованием полости для фиксации заготовки, и снабженного вакуумной системой и эластичной втулкой. Пуансон выполнен с центральным отверстием, соединенным с вакуумной системой, и кольцевой проточкой на рабочем торце, в которой размещена эластичная втулка.
Прижимающее усилие исключает смещение заготовки относительно пуансона в процессе вытяжки, что позволяет получить штампуемые детали без гофров на донной части и значительно уменьшает их разновысотность.
Заявляемый способ и устройство реализованы при штамповке-вытяжке колпачков-заготовок для сильфонов из нержавеющей ленты 12Х18Н10Т толщиной 0,13 мм.
На фиг.1 изображено устройство для вытяжки колпачков с фиксированием заготовки по центру посредством магнита, где:
1 - электромагнит (постоянный магнит); 2 - втулка из ферромагнитного материала; 3 - втулка из немагнитного материала; 4 - стержень из ферромагнитного материала; пуансон состоит из п.2, п.3, п.4; 5 - центрирующая обойма; 6 - нижний прижим; 7 - кольцо; 8 - верхний прижим; 9 - болт; 10 - кольцо; 11 - опора; 12 - штампуемая заготовка. В данном устройстве фиксацию листовой заготовки относительно пуансона производят посредством замыкания на нее магнитных силовых линий, проходящих от электромагнита (постоянного магнита) через ферромагнитные детали пуансона.
Устройство работает следующим образом: заготовку 12 размещают на составном пуансоне (п.2, 3, 4) и в фиксирующей полости, которая образована плоскими поверхностями верхнего 8 прижима и кольца 10, размещенного на нижнем прижиме 6, а также поверхностью, образованной внутренним диаметром кольца 7, который размещен между прижимами. Прижимы 6 и 8 с размещенными между ними кольцом 7 зафиксированы и поджаты болтом 9 и обоймой 5. Составной пуансон торцом, противоположным рабочему, установлен на электромагните 1. Внутренний диаметр кольца 7 соответствует диаметру тонколистовой заготовки. Для того чтобы исключить смещение фланца штампуемой детали в процессе вытяжки предлагается к неподвижному пуансону притягивать штампуемую заготовку посредством замыкания на нее магнитных силовых линий, проходящих от электромагнита. Далее производят фиксацию заготовки на пуансоне с последующей вытяжкой, при этом пуансон неподвижен.
На фиг.2 изображено устройство для вытяжки колпачков, где:
1 - поддон; 2 - опора; 3 - верхний прижим-матрица; 4 - наружное кольцо; 5 - внутреннее кольцо; 6 - нижний прижим; 7 - пуансон; 8 - штуцер; 9 - прокладка; 10 - болт; 11 - центрирующая обойма; 12 - резиновая втулка; 13 - упор; 14 - штампуемая заготовка. Для осуществления указанной фиксации в пуансоне 7 по центру выполняют отверстие, которое соединяют посредством штуцера с форвакуумным насосом. На рабочей торцовой поверхности пуансона выполнена кольцевая проточка, в которой размещают резиновую втулку 12 для обеспечения герметичности между заготовкой и пуансоном при откачке воздуха. Пуансон 7 зафиксирован на поддоне 1. На поддоне установлены упоры 13, ограничивающие ход подвижных прижимов 6, 3. Устройство работает следующим образом: на пуансоне 7 и в фиксирующей полости, образованной внутренним кольцом 5 и наружным кольцом 4, размещают заготовку 14 и прижимают ее верхним прижимом 3. Через центральное отверстие в пуансоне, соединенное через штуцер 8 с форвакуумным насосом, производят откачку воздуха, создавая вакуум, таким образом производится фиксирование заготовки относительно пуансона. После фиксации заготовки на пуансоне осуществляют вытяжку по неподвижному пуансону.
Использование предлагаемого изобретения позволяет полностью исключить получение некондиционных деталей в процессе вытяжки.
1. Способ глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок, включающий размещение заготовки в полости для фиксации, прижим фланца заготовки и обтягивание заготовки по неподвижному пуансону, отличающийся тем, что в процессе вытяжки осуществляют фиксацию заготовки относительно неподвижного пуансона воздействием на центральную часть заготовки усилием притягивания со стороны пуансона.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что усилие притягивания создают посредством магнитного поля.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что усилие притягивания создают посредством вакуума.
4. Штамп для глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок, содержащий соосно установленные неподвижный пуансон, матрицу и прижим, выполненный с образованием полости для фиксации заготовки, отличающийся тем, что он снабжен электромагнитом или постоянным магнитом, пуансон выполнен составным в виде центрального стержня из ферромагнитного материала и соосно установленных на нем промежуточной втулки из немагнитного материала и внешней втулки из ферромагнитного материала, внешний диаметр которой соответствует диаметру пуансона, при этом пуансон размещен на электромагните или постоянном магните.
5. Штамп для глубокой вытяжки деталей из тонколистовых заготовок, содержащий соосно установленные неподвижный пуансон, матрицу и прижим, выполненный с образованием полости для фиксации заготовки, отличающийся тем, что он снабжен вакуумной системой и эластичной втулкой, пуансон выполнен с центральным отверстием, соединенным с вакуумной системой, и кольцевой проточкой на рабочем торце, в которой размещена эластичная втулка.
Анализ технологического процесса глубокой вытяжки тонкостенной детали: режимы обработки, размеры формообразующих инструментов и производственные браки
Вытяжка — это процесс превращения плоской или полой заготовки в открытое сверху полое изделие, осуществляемый при помощи вытяжных штампов. Исходя из формы и технологических особенностей листовой штамповки, полые детали, получаемые вытяжкой, можно разделить на несколько основных групп:
1) детали, имеющие форму тела вращения;
2) детали коробчатой формы;
Рис. 1. Полые детали различной формы (а-л), получаемые вытяжкой
Детали, имеющие форму тела вращения, могут быть с фланцем или без фланца, с плоским или с фасонным дном (рис. 1, а-д).
Детали коробчатой формы могут иметь квадратные, прямоугольные, криволинейные боковые стенки с фланцем или без фланца; дно у них может быть плоское или фасонное (рис. 1, е-з).
Детали сложной формы могут быть полусимметричные, имеющие только одну плоскость симметрии (корпус и крыша кабины автомобиля, рис. 1, и), и несимметричные (крыло автомобиля, рис. 1, к).
В зависимости от формы детали заготовка подвергается либо вытяжке в чистом виде, либо вытяжке в сочетании с формовкой, гибкой и обжимом или с отбортовкой.
Вытяжку производят на кривошипных прессах двойного и тройного действий, кулисных прессах двойного действия с подвижным нижним столом, кривошипных прессах простого действия (одноходовых) с пневматическим или гидропневматическим устройством (подушкой), а также на гидропрессах простого и двойного действий.
Рис. 2. Схема процесса вытяжки: d1 — диаметр полой заго-товки после
первой операции; d2 — диаметр полой заготовки после второй операции
Особую группу составляют операции обтяжки — получение полых деталей криволинейной формы путем растяжения материала и обтягивания его вокруг специального обтяжного шаблона- болвана (рис. 1, л). Обтяжка производится на специальных обтяжных гидропрессах.
По характеру и степени деформации различают: 1) вытяжку без утонения стенок; 2) вытяжку с утонением стенок (протяжку) и 3) комбинированную вытяжку.
В первом случае вытяжка происходит без заранее обусловленного изменения толщины материала стенки изделия, но при значительном уменьшении диаметра заготовки; во втором — вытяжка осуществляется за счет заранее предусмотренного уменьшения толщины стенки вытягиваемого полуфабриката при незначительном уменьшении его диаметра. Комбинированная вытяжка характеризуется одновременным значительным уменьшением диаметра и толщины стенки вытягиваемого полуфабриката.
В зависимости от относительной толщины заготовки или полуфабриката вытяжку производят с применением или без применения прижима. Так как при вытяжке происходит втягивание материала заготовки 3 пуансоном 2 с закруглением rп большего диаметра D в матрицу 1 с закруглением rм, имеющую меньший диаметр d (рис. 2, а), то естественно, что по краю вытянутого колпака образуются складки (гофры) за счет наличия избыточного материала или так называемых характеристичных треугольников b, b1, b2, . bn (рис. 2, б), ибо для образования полого колпака диаметром d и высотой h достаточно было бы иметь заготовку диаметром D’ без заштрихованных участков. Наличие избыточных треугольников приводит к необходимости вытеснения и перемещения металла при вытяжке вверх. На рис. 2, в показана вытяжка на второй операции из полой заготовки 4.
Рис. 3. Вытяжка с прижимом материала
Образование складок вызывается напряженно-деформированным состоянием металла, приводящим при определенных геометрических соотношениях к потере устойчивости заготовки (рис. 2, а).
Для предотвращения образования складок применяют прижимное кольцо или складкодержатель 3, который прижимает фланец заготовки к матрице 1 таким образом, что материал не имеет возможности образовать складки, а вынужден перемещаться под давлением пуансона 2 в радиальном направлении. Прижим материала применяется как для первой операции вытяжки, т. е. при вытяжке детали из плоской заготовки (рис. 3, а), так и при последующих операциях вытяжки из полой заготовки (рис. 3, б).
Вытяжка без прижима применяется при изготовлении неглубоких сосудов или изделий из толстых материалов, когда складки почти не образуются или выглаживаются при прохождении через вытяжную матрицу.
Напряженно-деформированное состояние металла при вытяжке полых тел
При вытяжке плоская заготовка диаметром D (рис. 4), перемещаясь во время вытяжки, изменяет свои размеры и занимает ряд промежуточных положений. При этом материал деформированной заготовки в различных ее частях находится в разных условиях. В случае вытяжки с прижимом без утонения материала и с зазором, большим толщины заготовки (для случая осесимметричного деформирования в полярной системе координат), можно принять следующую схему напряженно-деформированного состояния (рис. 4).
Рис. 4. Схема напряженно-деформированного состояния отдельных
участков заготовки при вытяжке (σ — напряжения, ε — деформации)
1. Дно частично образованного полого цилиндра — колпака (элемент а) находится в плоско-напряженном и объемно-деформированном состоянии. Так как деформация металла — двустороннее равномерное растяжение в плоскости дна и осевое сжатие составляют на первой операции всего 1-3%, то практически ими можно пренебречь. При многооперационном процессе вытяжки уже после второй-третьей операции толщина дна заметно уменьшается, так как металл со дна постепенно поступает в зону максимального утонения (у донного закругления); интенсивность утонения Дна особенно проявляется у латуни, имеющей небольшую сосредоточенную деформацию сужения (по сравнению со сталью).
2. Цилиндрическую часть полого тела, находящуюся в зазоре между матрицей и пуансоном (элемент b), можно считать находящейся в линейно-напряженном и объемно-деформированном состоянии. Непосредственно у донного закругления изделия (элемент с) в металле возникают напряжения ввиде двухосного растяжения и одноосного сжатия, приводящие к значительному растяжению и утонению стенок в этом месте. Вследствие этого поперечное сечение тела здесь является наименее прочным и наиболее опасным с точки зрения отрыва дна от стенок изделия. Это опасное сечение и ограничивает возможность максимального использования пластических свойств штампуемого металла.
3. Часть, находящаяся на закруглении рабочих кромок матрицы (элемент d), испытывает сложную деформацию, вызванную одновременным изгибом и распрямлением заготовки, наибольшим традиальным (меридиональным) растяжением и незначительным тангенциальным (окружным) сжатием.
4. Часть заготовки, находящаяся под прижимным кольцом (элемент ё), находится в объемно-напряженном и объемно-деформированном состоянии. Однако при достаточно сильном прижиме можно считать εп (εz) = 0. В плоскостях фланца заготовки возникают радиальные (меридиональные) растягивающие σр и тангенциальные (окружные) сжимающие σθ напряжения, а в перпендикулярном к ней направлении — осевые сжимающие напряжения σn (σz), причем ввиду небольшой величины σn на практике им часто пренебрегают (при образовании явного клинового сечения во фланце σn = 0).
Рис. 5. Кривая изменения толщины стенки в различных частях колпака при вытяжке
Меридиональные растягивающие напряжения σp, вызываемые давлением пуансона у края заготовки, равны нулю; по мере удаления от края заготовки к центру матрицы они возрастают, достигая наибольшей величины на входной кромке матрицы. Тангенциальные сжимающие напряжения σθ, наоборот, у наружного края имеют наибольшую величину, а по мере удаления от края заготовки значения их уменьшаются. В тот момент, когда край заготовки переместится на величину, составляющую 39% от радиуса заготовки (0,39 R), σθ становится равным σp. Под действием напряжений тангенциального сжатия ст фланец заготовки утолщается (образуя иногда как бы клиновое сечение) и упрочняется; при недостаточном прижиме и тонком материале [(s/D) 100 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
19. Процесс вытяжки листовых металлов
Читайте также: