CC BY
60
УДК 621.73.043; 621.77.014
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХУДОЖЕСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ИЗДЕЛИЯ
«ПОДСТАКАННИК»
Ю.К. Филиппов, Н.Ф. Шпунькин, С.А. Типалин
Представлены подходы к проектированию и производству деталей подстаканника с позиций анализа технологической способности деформации современных цветных металлов. Оценка их способности подвергаться обработке давлением не только улучшает качество проектирования технологических процессов, но и позволяет прогнозировать поведение металла заготовки до запуска деталей в производство. Исследованы и разработаны процессы формообразования деталей подстаканника методами листовой штамповки и их сборки с применением штампосборочных операций и пайки. Приведены сведения об используемых в технологических процессах штампах и приспособлениях. По результатам исследований даны рекомендации для внедрения в производство.
Ключевые слова: технологический процесс, листовая штамповка, подстаканник, сборка, производство, внедрение.
Основное требование современного производства - тщательная проработка технически рациональных и экономически эффективных технологических процессов изготовления изделий народного потребления. Немаловажную роль при этом играет и внешний вид изделия, применение при его производстве современных материалов, наличие в его дизайне художественных элементов. Наряду с обеспечением функционального назначения изделия перечисленные факторы существенно влияют на спрос и востребованность товара на рынке.
В настоящее время подстаканники производятся различными фирмами с различной ценовой политикой. Цены на подстаканники изменяются в широких пределах. Для массового потребителя подстаканников (например, ОАО РЖД) желательно снижение цен на изделия. На кафедре «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Московского политехнического университета вопрос снижения цен на производимые изделия решается на современном уровне путем использования высокотехнологичных процессов, оснастки и оборудования с привлечением специалистов высшей квалификации в своей отрасли для выполнения работ по исследованию, проектированию и внедрению разработанных технологий в производство.
Разработка и проектирование технологических процессов получения деталей изделия «подстаканник», определение возникающих при штамповке пластических деформаций, а также обеспечение требуемого качества поверхности при штамповке и сборке является целью настоящей работы.
На рис. 1 показаны конструкции подстаканников, изготовленных из различных листовых материалов, отличающихся видом рисунка на их боковой поверхности.
Рис. 1. Различные виды подстаканников
При разработке технологических процессов листовой штамповки деталей подстаканников руководствуются целым рядом соображений: обеспечение минимальной трудоемкости, низкий расход металла, простота конструкций штампов и др. Однако, основными требованиями к процессу являются возможность получения деталей без разрушения и обеспечение высокого качества поверхности.
При конструировании деталей, получаемых методом вытяжки, основное внимание должно быть обращено на правильный выбор радиусов сопряжения стенки, дна и фланца, соотношение размеров, характеризующих поперечное сечение и высоту вытягиваемой детали, или, при сложной форме детали - размеров ее контура. Оптимальная геометрия вытягиваемой детали позволяет сократить количество операций вытяжки и в некоторых случаях обеспечивает возможность получения детали одноопераци-онной вытяжкой.
Подстаканник состоит из трех деталей: основание, ручка и обечайка (рис. 2). Художественная привлекательность изделия «подстаканник» достигается, в основном, за счет декоративного рисунка, выполняемого с помощью различных операций листовой штамповки на детали «обечайка». Это могут быть различные узоры, орнаменты, изображения цветов, животных,
фигурок людей, пейзажи и многое другое. Менее сложные изображения могут наноситься и на две другие детали: ручку и основание. Примеры различного художественного оформления подстаканников приведены на рис. 1.
Рис. 2. Технологические переходы штамповки основания, обечайки
и ручки подстаканника
286
Для изготовления деталей подстаканников могут использоваться различные листовые металлы и сплавы: коррозионно-стойкие стали, латуни, медно-никелевые сплавы (мельхиор, монель, нейзильбер) и даже драгоценные металлы, например, серебро и сплавы на его основе [1-3]. Эти материалы обладают различным цветом и блеском, что позволяет, варьируя используемые материалы, дополнительно повышать художественно-эстетические достоинства изделий и добиваться приятного психологического воздействия на того, кто этими изделиями пользуется. Дополнительный эстетический эффект может достигаться за счет нанесения на подстаканник покрытий (преимущественно, гальванических). Марки, химический состав и основные показатели механических свойств материалов, используемых при изготовлении подстаканников, приведены в соответствующих стандартах [7-15].
При разработке технологических процессов штамповки деталей подстаканника и проектировании штампов и вспомогательной оснастки для различных операций изготовления и сборки были исследованы процессы формообразования деталей и сборочные операции, позволяющие оценить влияние физико-механических свойств деформируемого металла на протекание этих процессов. Ниже приведены особенности технологических процессов штамповки основных деталей подстаканника с использованием в качестве материала листовой латуни марки Л68. Схема полного условного обозначения латунных листов и лент приведена в стандарте [11]. Латунь представляет собой медно-цинковый сплав, в частности, латунь Л68 [10] содержит 67-70% меди, что обеспечивает ее высокую пластичность. Листовая латунь - один из самых распространенных материалов для штамповки художественных изделий. Она имеет красивый золотисто-желтый цвет, высокую коррозионную стойкость, особенно при условии использования изделий в помещениях. Латуни легко полируются и надолго сохраняют полированную поверхность, хорошо свариваются и паяются как мягкими, так и твердыми припоями. Изделия из латуни легко и прочно покрываются различными видами гальванических покрытий - никелем, серебром, золотом; их поверхности могут подвергаться оксидированию и могут быть тонированы практически в любые цвета. По сравнению с чистой медью латуни имеют более высокую прочность и твердость, однако некоторые из них (с содержанием цинка около 30%) не уступают меди в пластичности. Так, листовая латунь марки Л68 в мягком (отожженном) состоянии имеет относительное удлинение не менее 42% при пределе прочности 280-370 МПа [11].
Основание подстаканника представляет собой осесимметричную ступенчатую деталь, верхняя часть которой выполнена цилиндрической и предназначена для соединения основания с обечайкой. Нижняя часть основания имеет форму конуса, расширяющегося книзу. Такая форма основания обеспечивает устойчивость подстаканника, что особенно важно при пользовании им, например, в движущемся поезде. Основание изготавливается из листовой латуни толщиной 0,5 мм. Технологический процесс штамповки
основания подстаканника первоначально включал в себя следующие операции: вырубка заготовки, вытяжка, обрезка фланца, пробивка отверстия в дне, калибровка, закатка. Расчет технологических параметров штамповки [4-6] показал возможность вытяжки детали за одну операцию из заготовки диаметром 103 мм. В процессе проведения работ по отладке штампа для вытяжки была выявлена возможность получения детали не из круглой, а из квадратной заготовки со стороной квадрата, равной расчетному значению диаметра заготовки (103 мм). Это оказалось возможным за счет применения латуни Л68, высокая пластичность которой позволила отсутствие втягивания материала со стороны углов квадратной заготовки при вытяжке компенсировать его интенсивным растяжением без образования разрывов. Таким образом, операция вырубки была исключена из технологического процесса, в связи с чем отпала необходимость изготовления вырубного штампа для получения круглой заготовки, поскольку для получения квадратных заготовок применялись гильотинные ножницы. Операция калибровки необходима для повышения точности размеров основания, в частности, размера диаметра верхнего цилиндрического участка, по которому происходит сопряжение основания с обечайкой. Последняя операция технологического процесса - закатка -предназначена для выполнения закругления на нижней кромке основания подстаканника, которая после выполнения калибровки может оставаться острой и повреждать поверхность, на которую ставится подстаканник. Натурные образцы технологических переходов штамповки основания подстаканника (за исключением операции закатки) показаны на рис. 2.
На все операции технологического процесса были спроектированы и изготовлены штампы. На рис. 3 показан штамп для калибровки основания, установленный на кривошипный пресс номинальной силой 400 кН.
Обечайка подстаканника имеет форму цилиндра, на поверхности которого выполнено рельефное изображение. Диаметр и высота обечайки определяются размерами стакана, который в нее устанавливается. Обечайка штампуется из латунной ленты толщиной 0,5 мм, шириной 65 мм. Операции технологического процесса следующие: рельефная формовка рисунка на заготовке, пробивка отверстий, отрезка заготовки на необходимую длину, предварительная гибка, окончательная гибка. На рис. 2 представлены натурные образцы технологических переходов штамповки обечайки.
Технологическая оснастка для выполнения различных операций штамповки обечайки приведена на рис. 3. На рис. 3 показаны рабочие части штампа для рельефной формовки. Для сокращения размеров штампа и снижения его стоимости рабочая поверхность инструмента имеет ограниченную длину, и рисунок наносится на ленту последовательно от участка к участку. Между рабочими ходами штампа лента перемещается на расстояние, равное длине рабочей части штампа. Штамп устанавливается на чеканочный пресс номинальной силой 3600 кН.
Рис. 3. Штампы для калибровки основания, рельефной формовки, гибки обечайки и гибки ручки подстаканника
289
Штамп для предварительной гибки обечайки показан на рис. 3. Плоская заготовка с нанесенным рельефом и пробитыми фигурными отверстиями, отрезанная на необходимую длину, изгибается в штампе волнообразно в противоположных направлениях [4]. При этом крайним участкам заготовки придается такая же кривизна, как и у готовой обечайки.
Для окончательной гибки применяется штамп с оправкой (рис. 3), изгиб вокруг которой формирует окончательный диаметр обечайки.
Изгиб центральной части обечайки вокруг оправки обеспечивается воздействием на нее полиуретановой вставки в нижней части штампа. Для извлечения отштампованной обечайки из штампа в его конструкции предусмотрена возможность горизонтального перемещения оправки. После завершения операции оправка выдвигается вперед по внутренней поверхности специального стакана штампа, обечайка удаляется и оправка возвращается в прежнее положение. При гибке листовых металлов по большому радиусу (как и в рассматриваемом случае) возникает явление пружинения, связанное с наличием в изгибаемом листе упругих деформаций. При этом после снятия нагрузки, прикладываемой в ходе окончательной гибки, диаметр обечайки несколько увеличивается, а края заготовки, сомкнутые в момент окончания гибки, расходятся (см. последнее изображение на рис. 3). Искажение формы обечайки, вызванное пружинением, устраняется в ходе сборочных операций.
Проведение операций предварительной и окончательной гибки (с учетом того, что изгибаются заготовки с нанесенным на них рисунком) требует плавности и относительно невысокой скорости движения рабочих частей штампов. Для обеспечения этих требований штампы для гибки (рис. 3) устанавливаются на гидравлический пресс номинальной силой 1000 кН.
Ручка подстаканника должна отвечать определенным требованиям. Прежде всего это удобство удерживания подстаканника в руке и отсутствие на ручке острых кромок, заусенцев и тому подобных дефектов. Кроме того ручка должна иметь достаточную жесткость и не изгибаться при пользовании подстаканником. В рассматриваемой технологии ручку получают штамповкой из листовой заготовки длиной 130 мм, шириной 8 мм, толщиной 1,5 мм. Операции технологического процесса штамповки следующие: рельефная формовка и чеканка рисунка на заготовке, предварительная гибка, окончательная гибка по заданным геометрическим размерам. После штамповки ручка подвергается отделочным операциям. Натурные образцы после отрезки заготовки, рельефной формовки с чеканкой и окончательной гибки показаны на рис. 2.
Разработанные для гибки ручки оригинальные штампы представлены на рис. 3. Штампы устанавливаются на кривошипный пресс номинальной силой 400 кН.
На заключительной стадии производства из комплектующих деталей (основание, обечайка и ручка) производится сборка подстаканника, включающая несколько этапов. Сначала производится пайка встык кромок обечайки. Затем в специальном штампе выполняется соединение обечайки с основанием. Обе детали устанавливаются в штамп, при этом нижняя часть обечайки надевается на цилиндрическую часть основания. На зону этого соединения воздействуют два полукольца, поворачивающиеся в горизонтальной плоскости. Полукольца обжимают зону соединения, формуя на обеих деталях кольцевую канавку, вершина которой направлена внутрь подстаканника. Затем опускается пуансон с плоским торцом, совершая осадку места соединения, в результате чего нижняя кромка обечайки оказывается зажатой между участками канавки, отформованной на основании. Выполнение этой штампосборочной операции обеспечивает надежное соединение обечайки с основанием. Завершающей сборочной операцией является соединение методом пайки ручки с подстаканником. При пайке используется специальная оснастка, с помощью которой ручка перед пайкой устанавливается и фиксируется в требуемом положении (рис. 4).
Полученное художественное изделие «подстаканник» представлено на рис. 5.
Рис. 4. Оснастка для пайки ручки подстаканника
291
Рис. 5. Подстаканник в готовом виде
Заключение. В статье систематизированы и обобщены результаты исследований по художественной штамповке и сборке подстаканников для подготовки их производства.
Сотрудники кафедры «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Мосполитеха имеют большой опыт в области исследования и разработки технологий штамповки художественных изделий и готовы помочь вам выполнить эту важную и уникальную работу, например, изготовить подстаканник с художественными мотивами и требуемой символикой, который радовал бы вас своим изяществом, красотой и совершенством, что не так часто встречается в повседневной жизни.
Список литературы
1. Белоусов В. Б., Филиппов Ю. К. Рельефная чеканка. М.: Машиностроение-!, 2005.
2. Филиппов Ю.К., Типалин С.А., Крутина Е.В. Металлы и сплавы для художественной чеканки. Учебное пособие. М.: Университет машиностроения, 2013.
3. Флёров А. В. Материаловедение и технология художественной обработки металлов. Учебник. М.: Издательство В. Шевчук, 2001.
4. Ковка и штамповка: Справочник: В 4-х томах. Т. 4. Листовая штамповка/ А. Ю. Аверкиев, С. И. Вдовин, Н. Ф. Шпунькин и др. Под ред. С. С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2010.
292
5. Шпунькин Н. Ф., Типалин С. А. Основы расчета параметров штамповки листовых деталей и оценка их технологичности. Учебное пособие. М.: Университет машиностроения, 2016.
6. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. 6-е изд. Л.: Машиностроение, 1979.
7. ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. М.: Стандар-тинформ, 2015.
8. ГОСТ 5582-75. Прокат тонколистовой коррозионно-стойкий, жаростойкий и жаропрочный. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003.
9. ГОСТ 4986-79. Лента холоднокатаная из коррозионно-стойкой и жаростойкой стали. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.
10. ГОСТ 15527-2004. Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004.
11. ГОСТ 2208-2007. Фольга, ленты, листы и плиты латунные. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2007.
12. ГОСТ 492-2006. Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки. М.: Стандартинформ, 2007.
13. ГОСТ 5187-2003. Ленты из мельхиора, нейзильбера и монеля. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004.
14. ГОСТ 6836-2002. Серебро и сплавы на его основе. Марки. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.
15. ГОСТ 7221-80. Полосы из золота, серебра и их сплавов. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2005.
Филиппов Юлиан Кириллович, д-р техн. наук, профессор, yulianf@,mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Шпунькин Николай Фомич, канд. техн. наук, профессор, snf48@yandex.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Типалин Сергей Александрович, канд. техн. наук, профессор, tsa_mami@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
DESIGN TECHNOLOGY OF MANUFACTURE OF DECORATIVE PARTS FOR EXAMPLE
THE PRODUCT «CUP HOLDER»
Y. К. Filippov, N.F. Spunkin, S.A. Tipalin
The article presents approaches to the design and production of parts of the Cup holder from the standpoint of the analysis of the technological ability of deformation of modern non-ferrous metals. Evaluation of their ability to be subjected to pressure treatment not only improves the quality of design processes, but also allows you to predict the behavior of the metal workpiece before the start ofparts in production. Processes offorming of details of
293
a holder by methods of sheet stamping and their Assembly with application of stamping operations and soldering are investigated and developed. Information about stamps and devices used in technological processes is given. According to the results of research recommendations for implementation in production are given.
Key words: technological process, sheet stamping, Cup holder, Assembly, production, implementation.
Filippov Yulian Kirillovich, doctor of technical sciences, professor, yulianf@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Shpunkin Nikolai Fomich, candidate of technical sciences, professor, snf48@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Tipalin Alexandrovich Sergey, candidate of technical sciences, professor, tsa_mami@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.777.4.014
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ФОРМЫ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ПРОЦЕССА ПРОДОЛЬНО-ПОПЕРЕЧНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ПОЛЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Д.С. Филин, Д.В. Фёдоров
Приведены результаты исследования влияния геометрических параметров инструмента на процесс комбинированного продольно-поперечного выдавливания. Анализ геометрии инструмента и результатов исследования позволил установить наиболее рациональные требования к размерам и форме матрицы. Также была установлена рациональность применения противопуансона с конической форма торца для уменьшения удельных нагрузок. Установлена необходимость корректировки ранее предложенной зависимости для расчёта максимальной технологической силы и учёта силового режима работы противопуансона.
Ключевые слова: холодная штамповка, комбинированное выдавливание, удельные нагрузки.
Традиционно для изготовления полых полуфабрикатов из заготовок сортового проката, в основном круглого, в различных отраслях машиностроения применяют процесс продольного обратного выдавливания (рис. 1). Процесс достаточно хорошо исследован и имеет широкую экспериментальную и промышленную проработку [1 - 4], кроме того, процесс относительно прост в реализации. Однако, он обладает рядом существенных недостатков, из которых можно выделить два основных.
