3. Холодная штамповка

Холодную штамповку можно подразделить на объемную штамповку (выдавливание, высадка, объемная формовка) и листовую штамповку (отрезка, вырубка и пробивка, гибка, вытяжка).

Рис. 3.22. Изделия получаемые холодной объемной штамповкой

По сравнению с горячей объемной штамповкой холодная имеет ряд преимуществ: нет операций нагрева металла и удаления образующейся при этом окалины, нет обезуглероживания поверхностного слоя и т.п. Холодная штамповка существенно точнее: если горячая штамповка позволяет получать детали с точностью, соответствующей 12...15 квалитетам и шероховатостью R_z=100мкм, то холодная – 7...11 квалитетам и R_z=10мкм. Однако к материалу для холодной штамповки предъявляется требование повышенной пластичности: так, стали должны быть с содержанием углерода 0,08...0,45% и с пониженным содержанием серы, фосфора и других примесей.

На рис. 3.13 показаны заготовки и детали, получаемые различными способами холодной объемной штамповки.

Рис. 3.23. Схема выдавливания

Схема деформирования при холодном выдавливании сходна со схемой прессования (рис.3.14).

Металл под действием пуансона 1, вытекает в отверстие, расположенное в донной части матрицы 2. Основной положительной особенностью холодного выдавливания является возможность достижения больших степеней деформации без разрушения, обусловленная схемой деформирования: в зоне деформации 3 металл находится в состоянии всестороннего сжатия.

Холодной высадкой из прутка или проволоки получают детали типа заклепок, болтов, гвоздей, шариков, накидных гаек и т.п. Последовательность переходов этой операции выглядит следующим образом. Пруток подается до упора, поперечным движением отрезается заготовка нужной длины, и в позиции штамповки, путем уменьшения длины заготовки, с получением местного утолщения, получают готовую деталь.

Описанные действия осуществляются на холодно-высадочных автоматах. Холодная штамповка на автоматах отличается высокой точностью, производительностью до 400шт/мин, высоким (до 96%) коэффициентом использования материала.

Одна из схем холодной высадки показана на рис.3.15: подача прутка 1 до упора 2, высадка бойком 4 шляпки, отрезка ножами 3.

Листовой штамповкой изготавливают из прокатного листа полосы, ленты (зачастую свернуты в рулон), самые разнообразные плоские и объемные детали массой от долей грамма до десятков килограммов: шайбы, колпачки, кастрюли, детали облицовки автомобилей, самолетов, ракет и др.

Характерным для листовой штамповки является то, что толщина стенок, получаемых штамповкой деталей, практически не отличается от толщины исходной заготовки; материал при изготовлении объемных деталей испытывает значительные деформации, поэтому к нему предъявляются особые требования по пластичности.

Рис. 3.24. Cхема холодной высадки

Операции листовой штамповки: отрезка, вырубка и пробивка, гибка, вытяжка, обжим, формовка.

1- пуансон, 2 - матрица

Рис. 3.25. Схема вырубки

Отрезка - отделение части материала, например, разделение листа на полосы осуществляется на гильотинных либо дисковых ножницах, реже - в штампах.

Вырубкой оформляют наружный контур детали, пробивкой - внутренний. Эти операции осуществляются в штампах: пуансон 1 выдавливает часть заготовки в отверстие матрицы 2 (рис. 3.16).

Качество среза зависит от зазора z, который назначают с учетом толщины s и механических свойств заготовки: z(0,05...0,1)s.

При оптимальном зазоре механизм разрушения металла выглядит следующим образом: на некоторой стадии внедрения инструмента в заготовку у режущих кромок матрицы и пуансона зарождаются трещины, наклоненные к оси под углом 4...6, которые быстро развиваются и в завершающей стадии встречаются. Поверхности среза получаются при этом сравнительно гладкими. Усилие вырубки (и пробивки) при параллельных плоских рабочих торцах пуансона и матрицы определяется по формуле

P=Ls_в,

где L - периметр заготовки.

Гибка - операция, изменяющая кривизну заготовки; в процессе гибки пластическая деформация локализуется на узком участке, контактирующим с пуансоном: внутренние (обращенные к пуансону) слои заготовки сжимаются, наружные - растягиваются. Это обстоятельство может вызвать при определенной величине деформации образование трещин, идущих от наружной поверхности заготовки, и требует ограничения минимального радиуса пуансона r. В зависимости от пластичности материала принимают r_min=(0,1...2)s.

Вытяжка может быть без утонения и с утонением стенки (рис. 3.17).

Вытяжка без утонения стенки происходит следующим образом (рис. 3.17а): исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы 2. Пуансон 1 надавливает на центральную часть заготовки, которая, смещаясь в отверстие матрицы, тянет за собой периферийную часть (фланец), из которой образуются стенки вытянутого изделия. Во фланце в радиальном направлении действуют растягивающие напряжения _r, в тангенциальном - сжимающие _; последние уменьшают диаметральные размеры заготовки. При определенных условиях фланец может потерять устойчивость, что приводит к образованию на нем складок. Для предотвращения этого применяют прижим 3, с определенной силой прижимающий фланец заготовки к плоскости матрицы.

а б

Рис. 3.26. Схема вытяжки: а - без утонения стенки,

б - с утонением стенки

Существуют ограничения величины формоизменения, оцениваемой коэффициентом вытяжки К: , которые предотвращают разрушение материала. Кроме этого на величину разрушающих напряжений влияют радиусы кромок матрицы r_м и пуансона r_п, а также силы трения. Рекомендуется принимать r_мr_п~(5...10)s.

При вытяжке с утонением (рис. 3.17б) происходит увеличение длины полой части заготовки в основном за счет уменьшения толщины ее стенок.

Как и во всех методах обработки металлов давлением, для снятия последствий упрочнения, являющегося следствием происшедшей на предыдущем переходе пластической деформации и увеличения пластичности материала, заготовку перед последующим переходом (при его необходимости) подвергают рекристаллизационному отжигу.

а б

Рис. 3.27. Схема формовки

Рис. 3.28. Схема вырубного штампа

Формовка - операция по изменению формы заготовки в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина стенки этих участков уменьшается. Формовкой получают местные выступы, ребра жесткости и т.п., деформирование осуществляется металлическими пуансонами и матрицами, а в отдельных случаях одним из инструментов является резиновая подушка (рис. 3.18).

Операции листовой штамповки выполняются в штампах; схема штампа для вырубки круглых пластин приведена на рис. 3.19.

Пуансон 7 и матрицу 4 с помощью пуансонодержателя 8 и матрицедержателя 5 прикрепляют соответственно к верхней 10 и нижней 6 плитам штампа. Точное направление пуансона относительно матрицы обеспечивается направляющими втулками 11 и колонками 12, запрессованными в верхнюю и нижнюю плиты штампа. Полоса или лента подается между направляющими линейками 2 до упора 3, ограничивающего шаг подачи. Высечка снимается с пуансона съемником 1. Нижнюю плиту штампа прикрепляют к столу пресса болтами или скобами, а верхнюю плиту в штампах сравнительно небольшой массы - к ползуну пресса с помощью хвостовика 9; верхнюю плиту в штампах большой массы крепят к ползуну болтами или скобами.

В штампах листовой штамповки можно выполнить не одну, как показано на рис. 3.19, а несколько операций. Для этого используют штампы последовательного действия, в которых операции выполняются в различных позициях по направлению подачи при перемещении заготовки на шаг подачи, или штампы совместного действия в этом штампе все операции выполняются в одной позиции.