CC BY
34
УДК 673
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ТИПА «СТАКАНЧИК»
ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ЛИСТОВОЙ
ШТАМПОВКИ
А.В. Летунов, Е.С. Нестеренко
Детали типа «стаканчик» получают методом глубокой вытяжки из листового материала. При выполнении операции могут возникнуть дефекты, а именно: образование гофров, разнотолщинность детали, потеря устойчивости и обрыв дна заготовки, а также разрушение поверхностных слоев биметалла. Предлагаемый способ вытяжки в штампе с упругими матрицей и прижимом позволит свести к минимуму данные дефекты и значительно улучшить качество поверхности получаемой детали.
Ключевые слова: листовая штамповка, биметалл, технологический процесс, глубокая вытяжка, штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, упругое кольцо.
Одним из наиболее развивающихся технологических методов производства является холодная листовая штамповка. Она значительно преобладает над другими видами обработки металлов в техническом и экономическом отношениях.
Глубокая вытяжка характеризуется большой степенью деформации. Если заготовка имеет небольшую толщину, то смещенный объем металла может стать причиной появления гофров (волн) на деформируемой заготовке. Также из-за тангенциального сжатия при вытяжке тонкого материала легко возникает потеря устойчивости фланца, в результате чего на нем образуются складки (гофры) [1].
Детали, получаемые методом глубокой вытяжки, имеют широкое применение в различных отраслях промышленности: машиностроительной, приборостроительной, электротехнической, авиа- и ракетостроении и других. Этим методом получают детали весьма разнообразных размеров.
Целью исследования является повышение качества биметаллической детали типа «стаканчик» процессом глубокой вытяжки с использованием нового метода в инструментальном штампе.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
- проанализированы существующие методы вытяжки, определены их основные недостатки;
- рассчитаны основные параметры процесса;
- проведен эксперимент на глубокую вытяжку деталей из биметалла.
Для предотвращения гофрообразования на фланце заготовки при вытяжке тонколистовых материалов применяется прижим (складкодержатель) (рис. 1). Величина усилия прижима заготовки должна быть тем больше, чем тоньше штампуемый материал, так как более тонкий материал больше склонен к потере устойчивости (гофрообразованию) [2]. 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 [3].
Рис. 1. Метод прямой вытяжки листовой заготовки: 1 - листовая заготовка; 2 - готовый «колпачок»; 3 - пуансон;
4 - штамп для вытяжки
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.
Высота деталей, получаемых однооперационной вытяжкой, не превышает 0,7 - 0,8 их диаметра. На рис. 2 изображена схема получения стаканчика с фланцем.
Рис. 2. Вытяжка с фланцем: 1 - заготовка; 2 - отход; 3 - деталь
При необходимости получения более высоких осесимметричных деталей вводят несколько следующих друг за другом операций вытяжки, на каждом из которых в качестве заготовки используют цилиндрический полуфабрикат, полученный на предыдущей операции, т.е. применяют многооперационную вытяжку (рис. 3).
При использовании этого способа получают заготовки с нагартовкой стенок, что резко снижает пластичность заготовок.
Помимо этого, детали имеют разнотолщинность стенок и гофры [4].
Предлагаемый метод - вытяжка осесимметричных деталей в штампе с упругими матрицей и прижимом.
Как видно из вышесказанного, основными проблемами при получении полых цилиндрических деталей являются разнотолщинность и гофро-образования. Такие недостатки отсутствует при вытяжке в штампе с упругими матрицей и прижимом.
Рис. 3. Многооперационная вытяжка: 1 - пуансон; 2 - заготовка;
3 - матрица
Данный способ был разработан на кафедре обработки металлов давлением в Самарском университете И.П. Поповым, Е.С. Нестеренко и А.А. Кузиной [5].
В данном случае применяются опорное и прижимное кольца. Штамп состоит из пуансона 1 с упругими элементами - прижимом 2 и матрицей 3, опорного кольца 4, упругого прижимного кольца 5 (рис. 4).
Рис. 4. Штамп для глубокой вытяжки: 1 - пуансон; 2 - прижим; 3 - матрица; 4 - опорное кольцо; 5 - прижимное кольцо; 6 - заготовка
В процессе вытяжки под действием усилия прижим 2 и матрица 3 будут упруго деформироваться. Величина этого упругого перемещения ограничена упругими свойствами материала оснастки, которые должны превышать максимальную величину АБтах разнотолщинности на фланце, в результате чего матрица и прижим полностью соприкасаются с поверхностью фланца листовой заготовки.
Внутренний и внешний радиусы, высоты прижима 2 и матрицы 3 определяются исходя из геометрических размеров детали.
Под действием усилия прижим 2 и матрица 3 прогибаются на величину АБтах, а после снятия нагрузки принимают начальную форму.
Данный метод получения осесимметричных деталей дает возможность избежать гофрообразования и снизить разнотолщинность [5].
Итак, анализ существующих процессов изготовления полых цилиндрических деталей показал, что наиболее приемлемым процессом является вытяжка в штампе с упругими матрицей и прижимом.
265
Расчеты проведены для детали из листового биметалла «Медь -Сталь - Медь» (предел прочности ов=314 МПа, предел текучести от=243 МПа, равномерное удлинение 5Р=30,9 %) с размерами с1=33 мм, Б=60 мм, 8=1,15 мм.
Усилие вытяжки Рвыт (кН) определяется по формуле [6, 7]
Рвыт — Т[ ■ d ■ S ■ (7В ■ к1;
(1)
где d - диаметр детали, мм, S - толщина материала, мм, сгв - предел прочности материала, МПа, ki - поправочный коэффициент,
Рвыт = ЗД4 • 33 • 1,15 • 314 • 0,9 = 33,6 кН.
Усилие прижима Q (кН) определяется по формуле [6, 7]
Q = 0,25 ■ и [D2 — (d + 2гм)2] ■ q, (2)
где D - диаметр заготовки, мм, d - диаметр детали, мм, гм - радиус матрицы, мм, q - давление прижима, МПа,
q = 0,2 (Н - 1,2) ■ ■ 100) = =0,2 (Ц - 1,2) ■ ■ Юо) = 0,24 МПа,
Q = 0,25 ■ 3,14 [602 - (33 + 2 ■ 5,8)2] ■ 0,24 = 3,2 кН .
Испытания на глубокую вытяжку деталей проводились на испытательной машине Zwick Roell ВИР 200 [8, 9].
Для определения оптимальных параметров процесса проведен ряд экспериментов с разными усилиями прижима. Полученные образцы представлены на рис. 5.
Экспериментальные данные процесса вытяжки представлены ниже (VD - скорость процесса, h - ход пуансона) [10] на рис. 5.
1. Рвыт = 31,77 кН; Q = 0,5 кН; VD = 1,55 мм/с; h = 40 мм
3. Рвыт = 31,53 кН; Q = 10 кН; VD = 1,55 мм/с; h = 40 мм
2. Рвыт = 28,82 кН; Q = 4 кН; VD = 1,55 мм/с; h = 40 мм
4. Рвыт = 34,5 кН; Q = 30 кН; VD = 1,55 мм/с; h = 40 мм
Рис. 5. Полученные детали
После проведения эксперимента был построен график зависимости усилия прижима от усилия вытяжки (рис. 6).
266
н
и
еь -
40 35 30 25
20
н а
л и
¡и =
п -
и
15 10
10
20
30
40
50
60
70
80
Усилие прижима Q, кН
5
0
0
Рис. 6. Зависимость усилия вытяжки от усилия прижима
Результаты проведенных экспериментов показали, что оптимальными параметрами вытяжки являются наименьшие усилия вытяжки и прижима Рвыт = 28,82 кН и Q = 4 кН. При дальнейшем росте усилия прижима поверхность заготовки повреждается, деталь утоняется при переходе через радиус матрицы.
Применение биметалла вместо обычного материала повышает прочностные, коррозионные, электропроводные свойства детали, поэтому его можно использовать в разных отраслях промышленности.
Покрытие в обычных процессах вытяжки повреждается, а при использовании нового способа упругий элемент снижает давление и защищает поверхностный слой металла. Новый способ позволяет уменьшить разно-толщинность и исключить гофрообразование детали.
Список литературы
1. Справочник по холодной штамповке: справочное издание. Романовский В.П., Симоновский Н.З., Щетинина Л.В. Л.: Машиностроение, 1979. С. 80 - 214 с.
2. Вытяжка в штампах [Электронный ресурс]. URL: http://delta-grup.ru/bibliot/3k/15-3.htm (дата обращения 15.01.2019).
3. Колмогоров B.JI. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия, 1970. 115 с.
4. Овчинников А.Г. Последующая вытяжка тонкостенных цилиндрических стаканов // Машины и технология обработки металлов давлением: труды МВТУ. 1968. №128 С. 218 - 220.
5. Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей: Пат. 2494830 РФ № 2011149621/02; Заявл. 06.12.2011; опубл. 10.10.2013, Бюл. №28.
6. Шофман Л.А. Теория и расчеты процессов холодной штамповки М.: Машиностроение, 1964. 374 с.
7. Шофман Л. А. Основы расчета процессов штамповки и прессования. М.: Машиностроение, 1961.
8. Ерисов Я.А., Петров И.Н., Камайкин И.А. Проведение испытаний на глубокую вытяжку на машине ZWICK/ROELL BUP 200. Методические указания. Самара: Изд-во Самар. ун-та, 2016. 23 с.
9. Sheet Metal Testing Machines [Электронный ресурс]. URL: https://www.zwick.com/en/sheet-metal-testing-machines/testing-machine-for-sheet-metal-forming (дата обращения 25.01.2019).
10. Летунов А. В. «Исследование процесса глубокой вытяжки деталей из биметалла. Самара: Самарский университет, 2018. 58 с.
Летунов Алексей Валерьевич, студент, Letunovalexey@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарский университет),
Нестеренко Елена Сергеевна, канд. тех. наук, доцент, Nesterenko 77@mail. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева (Самарский университет)
IMPROVING QUALITY OF CAP-TYPE DEVELOPED BY COLD SHEET STAMPING METHOD
A. V. Letunov, E.S. Nesterenko
The parts of the cap-type are produced by deep drawing method from sheet material. During the process, defects may occur, notably: wrinkles appearance, variations in thikness, loss of stability and breakage of the bottom of the workpiece, as well as destruction of the surface metal. The proposed method of drawing, drawing in a stamp with an elastic matrix and a clamp, will minimize these defects and significantly improve the surface quality of the resulting part.
Key words: sheet punching, bimetal, technological process, deep drawing, stamp for deep drawing of axisymmetric parts, elastic ring.
Letunov Alexey Valerievich, student, Letunovalexey@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Korolev,
Nesterenko Elena Sergeevna, candidate of technical sciences, associate professor, Nesterenko 7 7@,mail. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Korolev
