Штампи для листового штампування
ВСТУП
В умовах ринкових відносин технічна підготовка студентів економічних спеціальностей займає особливе місце серед дисциплін, що читаються, у процесі їхнього навчання. Сучасне виробництво потребує від фахівців економічних спеціальностей не тільки фундаментальних знань з економіки, але і знання основ техніки і технології.
Сучасний економіст повинен активно брати участь в організації виробництва, у тому числі і у створенні нових і удосконаленні існуючих технологічних процесів.
Курс "Системи технологій", що читається кафедрою техніки і технології і спрямований на досягнення цих цілей.
Виконуючи самостійну роботу з цього курсу, студенти закріплюють свої теоретичні знання і набувають практичні навички стосовно розробки технологічних процесів. При цьому вони використовують і економічні знання при виборі оптимальних операцій процесу.
I. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ПО РОЗРОБЦІ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ЛИСТОВОГО ШТАМПУВАННЯ
1.1. Операції листового штампування
Під технологічним процесом (ДСТ 3.1109-88) розуміють частину виробничого процесу, що містить дії по зміні і наступному визначенні стану предмета виробництва. Обробка тиском – частина технологічного процесу (за методом виконання), що полягає в пластичному деформуванні або поділі матеріалу заготовки без утворення стружки.
Листове штампування – один з видів обробки тиском. Воно здійснюється за допомогою штампа і, як правило, застосовується для виготовлення деталей (виробів), у яких товщина матеріалу незрівнянно мала в порівнянні з їхніми габаритними розмірами (лист, кутовий прокат і т. п.). У технологічній документації і практиці листового штампування застосовуються два споріднені терміни: «штампувальна операція» і «технологічна операція». Термін «штампувальна операція» відображає сутність виконуваного процесу обробки тиском. Термін «технологічна операція» відображає закінчену частину технологічного процесу, виконувану на одному робочому місці.
Листове штампування включає дві групи штампувальних операцій (ДСТ 18970-88): розділові (рис. 1) і формозмінні (рис. 2). Розділова операція – обробка тиском, у результаті якої одна частина заготовки відокремлюється від іншої за заданим контуром. Формозмінна операція – обробка тиском, у результаті якої заготовці шляхом пластичної деформації матеріалу надається задана форма.
До розділових відносяться штампувальні операції, в основі яких лежить процес зрушення матеріалу: відрізка (рис. 1, а) – повне відділення частини заготовки по незамкнутому контуру; розрізка (рис 1, б) – поділ заготовки на частини по незамкнутому контуру; вирубка (рис. 1, в) – повне відділення заготовки або деталі від листової заготовки або профільного матеріалу по замкнутому контуру; пробивання (рис. 1, г) – утворення в заготовки наскрізних отворів і пазів із видаленням матеріалу у відхід; обрізка (рис. 1, д) – видділення припусків; нарізка (рис. 1, е) – неповне відділення частини заготовки; зачищення (рис. 1, ж) – видалення припусків шляхом зняття стружки для одержання підвищених класів шорсткості поверхні і точності деталі. Крім перерахованих, до розділових відноситься також операція «проколка», хоча вона і містить елементи формозміни матеріалу. Проколка (рис. 1, з) – утворення наскрізних отворів у листовій заготовки без видалення матеріалу у відхід.
До формозмінних відносяться наступні основні операції: гнуття (рис. 2, а) – утворення або зміна кутів між частинами заготовки або додання їй криволінійної форми; скручування (рис. 2, б) – поворот частини заготовки навколо подовжньої осі; закачування (рис. 2, в) – утворення закруглених бортів на краях плоскої або порожньої заготовки; витяжка (рис. 2, г) – утворення порожнинної заготовки або деталі з плоскої або порожньої листової заготовки; витяжка з утонченням (рис. 2, д) – витяжка з заданим утонченням стінок; відбортовка (рис. 2, е) – утворення борту по внутрішньому або зовнішньому контуру листової заготовки; роздача (рис. 2, ж) – збільшення периметра поперечного розрізу порожнинної заготовки; обтиск (рис. 2, з) – зменшення периметра поперечного розрізу заготовки; рельєфне формування (рис. 2, і) – утворення рельєфу в листовій заготовці її місцевим деформуванням; рельєфне карбування (рис. 2, к) – утворення рельєфних зображень на матеріалі; керновка (рис. 2, л) – рельєфне карбування крапкових поглиблень; виправлення (рис. 2, м) – усунення перекручувань форми заготовки шляхом пластичного деформування.
Рис.1. Розділові операції листового штампування
Рис. 2. Формозмінні операції листового штампування
Закінчена частина технологічної операції, що характеризується сталістю застосовуваного інструменту і поверхонь, що одержані після обробки, називається технологічним переходом. Стосовно до листового штампування змістом переходу є одна штампувальна операція. Оскільки в штампі може виконуватися кілька штампувальних операцій, здійснюваних послідовно або одночасно, у тому чи іншому випадках одна технологічна операція поєднує (за часом і за змістом) кілька штампувальних операцій – переходів. При виконанні в штампі однієї штампувальної операції технологічна операція включає одну штампувальну операцію – перехід, збігаючись із нею за часом і змістом.
У результаті виконання штампувальних операцій у заготовках 
утворяться різні штамповані елементи, сполучення яких забезпечує одержання заданих деталей. У практиці листового штампування найбільш часто використовують наступні штамповані елементи: внутрішній прямий кут; прямолінійна фаска; внутрішній прямокутний паз; круглий отвір; прямокутний або фігурний, близький до прямокутного, отвір; дуга 180о; дуга 90о; згин; нормальна, кутова, тарілчата або глуха відбортовка; випуклий або вігнутий борт; рифт й ін.
Параметри перерахованих штампованих елементів, що забезпечують їхню технологічність, установлену відповідними ДСТ і іншими галузевими нормативними матеріалами (наприклад, ДСТ 17040-80, ДСТ 23292-78…ДСТ 23301-78). Дотримання конструкторами виробу зазначених параметрів забезпечує уніфікацію елементів деталей і можливість застосування універсального оснащення.
Штампи для листового штампування
Штампи листового штампування класифікують за багатьма ознаками. Основними з них можна виділити наступні: призначення, технологічність і універсальність застосування. За ознакою призначення штампи класифікують відповідно до перерахованих вище штампувальних операцій. За технологічною ознакою (ДСТ 15830-85) розрізняють штампи простої, комбіної (сумісної) і послідовної дій.
Штамп простої дії виконує одну або кілька однойменних операцій у межах переміщення матеріалу або заготовки за один хід рухомої частини штампа. Штамп простої дії може виконувати кожну з наведених на рис. 1 і 2 штампувальних операцій.
Штамп сумісної дії виконує різнойменні операції або переходи в межах одного кроку подачі матеріалу або заготовки за один хід рухомої частини штампа. Він виконує будь-які сумісні операцій, зазначені на рис. 1 і 2.
Штамп послідовної дії виконує кілька операцій або переходів за кілька кроків подачі матеріалу або заготовки і відповідне число ходів рухомої частини штампа.
Рис. 3.Штамп послідовної дії
На рис. 3 наведений багатоопераційний штамп послідовної дії для виготовлення шайб зі смуг. У ньому за один хід повзуна преса виконуються дві операції: пробивання отвору в одній деталі і вирубка контуру іншої деталі. Нижня плита штампа 8 болтами прикріплена до столу, а верхня 1 за допомогою хвостовика 2 – до повзуна преса. На нижній плиті в матрицеутримувачі 9 установлені матриці 11, а на них – дві направляючі пластини 14 і 3. На верхній плиті за допомогою пуансноутримувача 4 закріплені пуансони: пуансон пробивання 6 і пуансон вирубки 5. Точне з'єднання робочих деталей штампа в процесі руху повзуна преса вниз забезпечується направляючими колонками 13 і направляючими втулками 12. Стовпчики закріплюються в нижній плиті.
Робочі деталі штампів, тобто пуансони і матриці, виготовляються зі сталей марок У9А, Х12М, 7ХГ2ВМ, що після термічної обробки (гартування і відпустку) забезпечують твердість НRС58-62.
Стосовно самого процесу листового штампування, то він здійснюється в такий спосіб. Смуга 7 подається за матрицею в зазор під знімач і коли верхня частина штампа опускається, пуансон вирубки 5 і пуансон пробивання 6 входять одночасно у відповідні отвори матриці виконуючи обидві операції: вирубки і пробивання. При цьому матеріал смуги щільно охоплює пуансони і при підйомі повзуна знімачем 3 скидається з них. Перед наступним робочим ходом повзуна смуга подається до упору 10.
Штампи сумісної дії застосовують для виконання за один робочий хід преса двох, трьох і більше операцій. У штампі (рис. 4) в нижній плиті 1 кріплять матрицю вирубки 2, у якій міститься притиск 3, що увесь час утримується стрижнями 11 із пружинами в крайнім верхнім положенні. У нижній плиті нерухомо закріплений пуансон витяжки 4.
Технологічний процес листового штампування з застосуванням штампа сумісної дії здійснюється в такий спосіб.
Рис. 4. Штамп сполученої дії
Смуга 5 просувається вперед у напрямку подачі до упора 10. При робочому ході пуансон вирубки 9 (він же є матрицею витяжки), що прикріплюється у верхній плиті 7 за допомогою пуансоноутримувача 8, натискає на смугу і, утоплюючи притиск 3 у матрицю вирубки, здійснює вирубку заготовки. При опусканні пуансона вирубки 9 разом із притиском 3 відбувається витяжка ковпачка пуансоном 4, оскільки останній закріплений у нижній плиті 1 нерухомо. У цьому випадку пуансон вирубки з осьовим отвором служить матрицею витяжки. До кінця робочого ходу процес витяжки ковпачка закінчується. При зворотному ході повзуна, а разом з ним верхньої плити і матриці витяжки деталь викидається з матриці витовкувачем 6.
У багатоопераційних штампах поряд із пробиванням і вирубкою здійснюються також операції вигину, витяжки, відбортовки й ін.
У дрібносерійному виробництві широко використовуються універсальні штампи зі змінними пуансонами і матрицями, що легко переналагоджуються на виготовлення різних деталей, тобто, застосовується система гнучкого виробництва.
1.3. Розкрій матеріалу
Технологічний процес листового штампування включає технологічні операції, у результаті виконання яких відбувається поступове перетворення основного матеріалу в готові вироби (деталь).
Виріб – це одиниця промислової продукції, кількість якого може обчислюватися в штуках і екземплярах. Готові вироби в листовому штампуванні одержують у результаті виконання останньої штампувальної операції, передбаченої технологічним процесом (у результаті виконання проміжних штампувальних операцій одержують напівфабрикат).
Матеріал вихідної заготовки, тобто заготовки, поступаючої на першу технологічну операцію, називають основним. Заготівля – предмет виробництва, з якого зміною форми, розмірів, якості поверхні виготовляють виріб. Стосовно до листового штампування, основний матеріал у виді листів, рулонів з чорних і кольорових металів розкроюється на смуги, карти і т. п., що є початковими заготівлями. Останні надходять до штампу, що виконує першу технологічну операцію листового штампування.
При розробці технологічного процесу виготовлення деталей варто прагнути до зменшення втрат металу в листовому штампуванні. Основним відходом при листовому штампуванні є так звана висічка, тобто частина листової заготовки після її вирубки. Форми і розміри заготовки, що вирубується, визначаються формою і розмірами деталі, а також застосованими в процесі штампування формозмінними операціями.
При штампуванні мало- і середньогабаритних деталей зазвичай з однієї листової заготовки вирубують кілька плоских заготовок для штампування. Між суміжними контурами заготівель, що вирубуються, звичайно залишають перемички, шириною приблизно рівні товщині заготовки, хоча в окремих випадках суміжні заготовки вирубують без перемичок (економія металу при погіршенні якості зрізу і зниженні стійкості інструменту). Розташування контуру суміжних заготівель, що вирубуються, на листовому металіназивається розкроєм. Тип розкрою варто вибирати за умови зменшення відходу металу у висічку. Приклади розкрою металу наведені на рис. 5 для: I – прямого; II – похилого; III – зустрічного; IV – комбінованого; V – багаторядного; VI – з вирізкою перемички; 1 – перемичка.
Рис. 5. Приклади розкрою матеріалу з перемичками (а)
і без перемичок (б)
Як основний матеріал для листового штампування найбільш широко застосовують листи, смуги, стрічки, фасонний прокат. При заданих параметрах, що випливають із конструкції і розмірів штампованої деталі (товщини, напрямку, волокон і т. п.) і частково визначального сортименту основного матеріалу, остаточний його вибір здійснюють на підставі економічного аналізу можливих варіантів і визначення оптимального.
Як критерій оптимальності приймається коефіцієнт використання матеріалу:
Квм= ПFд/ Fл, (1)
де П – кількість деталей;
Fд – площа деталей;
Fл – площа листа.
Кількість деталей П визначають графічно, аналітично і шляхом розрахунку на ЕОМ таким чином, щоб одержати найменше значення норми витрати. При цьому можливі два принципових методи пошуку оптимального розкрою: 1) технолог має у своєму розпорядженні можливість вибору основного матеріалу (листи з різними габаритними розмірами, смуги різної ширини при одній і тій же товщині і марці матеріалу); 2) технолог обмежений визначеними розмірами вихідного матеріалу і повинен знайти оптимальний варіант тільки за рахунок різного розташування заготовки на площині смуги, смуги на площині й т. д.
Пошук оптимального варіанта розкрою і розрахунок коефіцієнта використання матеріалу виконують у такій послідовності. Спочатку приймають принципове рішення про застосування безвідхідного, маловідхідного розкрою або розкрою з відходами. Дане рішення залежить від необхідної точності деталі, ступеня складності її форми, товщини матеріалу. Після цього, якщо прийнято рішення про штампування з відходами, визначають величину перемичок залежно від габаритних розмірів заготовки, виду і товщини матеріалу (табл. 1, 2, 3). Далі вибирають тип розкрою: прямий, похилий, зустрічний, комбінований. При цьому враховують фактори, обумовлені можливістю геометричного розміщення заготівель на площині смуги і конструктивним виконанням штампу залежно від відносного розташування пуансонів, упорів і т. п.
Таблиця 1
Розміри перемичок a/b при штампуванні м'якої сталі
| Товщина матеріалу, S | Мінімальна ширина перемичок при вирубці заготовок, мм | ||||||||
| Круглих і овальних за діаметром | Прямокутних з найбільшим розміром | ||||||||
| до 50 | більше 50 до 100 | більше100 до 200 | більше 200 | до 50 | більше 50 до 100 | більше 100 до 200 | більше 200 до 300 | більше 300 | |
| До 0,2 | 2,0/1,5 | 2,2/1,7 | 2,5/2,0 | 2,8/2,2 | 2,5/2,0 | 3,0/2,5 | 3,5/3,0 | 4,0/3,5 | 5,0/3,8 |
| Більше 0,2 до 0,5 | 1,5/1,2 | 1,7/1,4 | 1,9/1,6 | 2,2/1,8 | 1,8/1,5 | 2,0/1,7 | 2,5/2,2 | 3,0/2,7 | 4,0/3,0 |
| Більше 0,5 до 1,0 | 1,2/0,8 | 1,4/1,0 | 1,6/1,2 | 1,8/1,4 | 1,5/1,0 | 1,7/1,2 | 2,2/1,7 | 2,7/2,2 | 3,5/3,0 |
| Більше 1,0 до 1,5 | 1,5/1,1 | 1,7/1,3 | 1,9/1,5 | 2,1/1,7 | 1,9/1,4 | 2,1/1,6 | 2,6/2,1 | 3,1/2,6 | 3,5/3,0 |
| Більше 1,5 до 2,0 | 1,9/1,5 | 2,1/1,7 | 2,3/1,9 | 2,5/2,1 | 2,2/1,7 | 2,4/1,9 | 3,0/2,5 | 3,4/2,9 | 4,0/3,5 |
| Більше 2,0 до 2,5 | 2,3/1,8 | 2,5/2,0 | 2,7/2,2 | 2,9/2,4 | 2,6/2,2 | 2,8/2,4 | 3,3/2,9 | 3,8/3,4 | 4,0/3,5 |
| Більше 2,5 до 3,0 | 2,6/2,1 | 2,8/2,3 | 3,0/2,5 | 3,2/2,7 | 3,0/2,5 | 3,2/2,7 | 3,7/3,2 | 4,2/3,7 | 4,5/4,0 |
| Більше 3,0 до 3,5 | 3,0/2,5 | 3,2/2,7 | 3,4/2,9 | 3,6/3,1 | 3,4/2,9 | 3,6/3,1 | 4,1/3,6 | 4,6/4,1 | 5,0/4,5 |
| Більше 3,5 до 4,0 | 3,3/2,8 | 3,5/3,0 | 3,7/3,2 | 3,9/3,4 | 3,7/3,2 | 3,9/3,4 | 4,4/3,9 | 4,9/4,4 | 5,0/4,5 |
| Більше 4,0 до 4,5 | 3,6/3,1 | 3,8/3,3 | 4,0/3,5 | 4,2/3,7 | 4,0/3,6 | 4,2/3,8 | 4,7/4,3 | 5,2/4,8 | 6,0/5,0 |
| Більше 4,5 до 5,0 | 4,0/3,4 | 4,2/3,6 | 4,4/3,8 | 4,6/4,0 | 4,5/4,0 | 4,7/4,2 | 5,2/4,7 | 5,7/5,2 | 6,0/5,0 |
| Більше 5,0 до 6,0 | 4,2/3,5 | 4,5/3,9 | 4,8/4,2 | 5,0/4,5 | 4,5/4,0 | 5,5/4,5 | 5,5/4,5 | 6,0/5,0 | 6,5/5,5 |
| Більше 6,0 до 7,0 | 4,5/3,6 | 5,0/4,2 | 5,5/4,2 | 6,0/4,5 | 4,8/4,3 | 6,0/5,0 | 6,0/5,0 | 6,5/5,5 | 7,0/6,0 |
| Більше 7,0 до 8,0 | 5,0/4,2 | 5,5/4,5 | 5,8/4,8 | 6,0/5,0 | 5,3/4,8 | 6,5/5,5 | 7,0/6,0 | 7,8/6,8 | 7,5/6,5 |
| Більше 8,0 до 9,0 | 5,5/4,5 | 6,0/5,0 | 6,3/5,2 | 6,5/5,5 | 5,8/5,3 | 7,0/6,0 | 7,5/6,5 | 8,0/7,0 | 8,0/7,0 |
| Більше 9,0 до 10,0 | 6,0/5,0 | 7,0/6,0 | 7,5/6,5 | 8,0/7,0 | 6,3/5,8 | 7,0/6,0 | 7,5/6,5 | 8,0/7,0 | 9,0/8,0 |
Рис. 6. Приклад позначення перемичок
Примітка: Для інших матеріалів табличні значення перемичок варто помножити на коефіцієнт:
для сталі (середньої твердості і твердої) – 0,8–0,9;
для бронзи (катаної і латуні) – 1,0–1,2;
для дуралюмінію – 1,0– 1,2;
для міді й алюмінію – 1,2–1,3;
для магнієвих сплавів – 1,5–2,0;
для титанових сплавів ВТ1 без підігріву і ВТ5 з підігрівом – 1,2–1,3;
для титанового сплаву ВТ5 без підігріву – 1,5–2,0;
для м'яких неметалічних матеріалів (шкіра, папір, картон та ін.) – 1,5–2,0.
Таблиця 2