12.5. Холодная листовая штамповка

Листовой штамповкой получают разнообразные плоские и пространственные детали: от секундной стрелки часов до деталей облицовки автомобилей, самолетов, ракет. Листовую штамповку применяют в автомобильной, авиационной, электротехнической промышленности, в тракторостроении, приборостроении и др.

Листовая штамповка снижает объем обработки резанием, обеспечивает высокие точность размеров и производительность (до 30–40 тыс. деталей в смену с одной машины).

В качестве заготовок используют лист, полосу или ленту. Толщина заготовок обычно не превышает 10 мм.

Как правило, при листовой штамповке пластическую деформацию, обеспечивающую необходимые форму и размеры, получает лишь часть заготовки. Толщина стенок штампованных деталей незначительно отличается от толщины заготовок. Операции, в которых лишь изменяются форма и размеры заготовки без разрушения ее в процессе деформирования, называются формоизменяющими. Операции, включающие разрушение материала заготовки, называются разделительными.

К числу формоизменяющих операций листовой штамповки относятся: гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача и др.

Гибка (рис. 12.15) применяется для изменения кривизны заготовки практически без изменения ее линейных размеров. В результате такого деформирования часть заготовки поворачивается относительно другой на определенный угол.

Рис. 12.15. Операции листовой штамповки

Пластическая деформация при гибке сосредотачивается на узком участке, контактирующем с пуансоном. При гибке не допускаются разрушение материала, образование трещин, складок. Наиболее слабым местом является зона деформаций растяжения в наружном слое детали на участке закругления пуансона (рис. 12.16). При уменьшении отношения радиуса закругления r к толщине заготовки s деформация возрастает. Поэтому для предотвращения появления трещин, складок или разрушения заготовки ограничивают минимальные размеры радиуса закругления пуансона:

. (12.9)

Даже при значительных пластических деформациях в обычных условиях гибки в штампах прямоугольная сетка линий, нанесенная на боковой поверхности заготовки, принимает веерообразную форму, причем поперечные линии остаются почти прямыми (рис. 12.16).

Рис. 12.16. Деформация координатной сетки при гибке

При гибке наибольшей по абсолютной величине является деформация , которая определяется по формуле

. (12.10)

Используются также и истинные (логарифмические) характеристики деформации.

Вытяжка заключается в протягивании заготовки через отверстие матрицы, причем плоская заготовка превращается в полое изделие, а пространственная заготовка получает уменьшение поперечных размеров (см. рис. 12.15). Она может осуществляться без утонения стенки или с утонением стенки.

Формоизменение при вытяжке оценивают отношением диаметра заготовки типа диска, фланца к диаметру полученной детали типа цилиндра (рис. 12.17) – коэффициентом вытяжки:

(12.11)

При вытяжке без утонения стенки зазор Z между пунсоном и матрицей должен быть больше толщины s заготовки:

. (12.12)

При вытяжке с утонением толщина стенки за один переход может быть уменьшена в 1,5–2 раза. При вытяжке с утонением стенки зазор между пуансоном и матрицей должен быть меньше толщины стенки. Удельные усилия при вытяжке с утонением стенки больше, чем при вытяжке без утонения. Вытяжку с утонением применяют для устранения опасности складкообразования, а также для получения деталей со стенками, толщина которых меньше толщины донышка.

Рис. 12.17. Схема вытяжки: 1 – матрица с рабочим диаметром D_М и радиусом закругления R_м;

2 – полуфабрикат; 3 – прижим; 4 – пуансон с рабочим диаметром D_П и радиусом закругления R_П; 5 – заготовка под вытяжку диаметром D_З и толщиной S

Усилие вытяжки в момент, когда заготовка полностью охватит скругленную кромку матрицы, может быть определено по формуле:

(12.13)

При отбортовке часть заготовки, граничащая с предварительно пробитым отверстием, вдавливается в матрицу, при этом размеры отверстия увеличиваются и этот участок заготовки приобретает цилиндрическую форму (см. рис. 12.15). Допустимое без разрушения увеличение диаметра отверстия при отбортовке составляет и зависит от механических свойств материала заготовки и от ее относительной толщины .

При обжиме полая тонкостенная цилиндрическая заготовка заталкивается в отверстие матрицы, причем заготовка в очаге деформации получает уменьшение поперечных размеров (см. рис. 12.15).

При раздаче пуансон внедряется в полую тонкостенную цилиндрическую заготовку и ее поперечные размеры в очаге деформации увеличиваются (см. рис. 12.15).

При рассмотрении напряженного и деформированного состояний в очаге деформации при анализе операций листовой штамповки обычно пользуются полярной системой координат с полюсом, совпадающим с центром кривизны срединной поверхности заготовки в данный момент деформирования (рис. 12.18).

Рис. 12.18. Схема напряжений и деформаций при листовой штамповке

Радиус кривизны нейтральной поверхности напряжений, отделяющей зону растяжения от зоны сжатия, определяют по формуле:

. (12.14)

При формоизменяющих операциях листовой штамповки касательные напряжения относительно малы и поэтому принимают, что направления нормальных напряжений и совпадают с главными направлениями тензора напряжений, т. е. являются главными напряжениями.

При принимают:

и .

Деформации на операциях листовой штамповки осуществляются, когда напряжения и соответствуют предельному состоянию (условию пластичности, рисунок 12.18.

В зависимости от условий нагружения заготовки в различных операциях листовой штамповки схемы напряженного состояния и знаки напряжений и в очаге деформации могут быть различными. В операциях вытяжки и отбортовки напряжения растягивающие, а в операциях обжима и раздачи – сжимающие. Напряжения являются растягивающими в операциях раздачи и отбортовки, а в операциях вытяжки и обжима – сжимающими.

На рисунке 12.19 графически представлены условия предельного состояния при плоском напряженном состоянии (в виде эллипса и шестиугольника в координатах « – »), а в каждом квадранте приведены схемы операций, деформирование заготовки в которых осуществляется при знаках напряжений, соответствующих определенным квадрантам.

Рис. 12.19. Условия предельного нагружения (пластичности) при различных операциях листовой штамповки