Холодная штамповка

 

 

Введение

 

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:

1. анализа физико-механических, химических, конструкционно-технологических  свойств материала штампуемой детали;
2. анализа технологичности конструкции детали;
3. определения раскроя материала и расчета размеров заготовки;
4. разработки маршрутной и операционной технологий;
5. определения технологических режимов и выбора оборудования;
6. проектирования технологической оснастки;
7. технологического нормирования операций штамповки;
8. 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.

 

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 σТ  и пределом прочности σВ ;

б) пластическими – относительным удлинением δ и относительным сужением ψ;

в) сопротивлением срезу σСР;

г) твердостью.

С увеличением относительного удлинения δ штампуемость металла улучшается, а с увеличением твердости – ухудшается. На штампуемость влияет и отношение предела текучести σТ к пределу прочности σВ. Чем оно меньше, тем лучше штампуемость (для вытяжки σТ/σВ ≤ 0,5). Сопротивление среза σСР связано с пределом прочности σТ соотношением σСР ≈ 0,8σТ 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 :

η = SДЕТ n / SЛ × 100 % ,

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

Величина η 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 + ΔП ,

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;

ΔП – 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

Наименьшая величина перемычек

 

Толщина материала, мм	Перемычка, мм		Толщина материала, мм	Перемычка, мм
	a и b	a1 и b1		a и b	a1 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:

а – перемычка между небольшими деталями  простой формы;

a1 – перемычка между большими деталями или деталями сложной конфигурации;

b – боковая перемычка при работе с боковым прижимом;

b1 – боковая перемычка при работе без бокового прижима.

 

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 а1 увеличивают в 1,5 раза;
• ширину кромки, обрезаемой шаговым ножом, принимают равной а1;
• 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

Предельные отклонения размеров при отрезке в штампе

или на гильотинных ножницах

 

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. Меньшие значения предельных отклонений соответствуют отрезке в штампе, резке листа на многодисковых ножницах  или отрезке гильотинными ножницами повышенной точности.

 

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):