Технология обработки материалов давлением

2. Стадия пластического смятия, когда , где - экстраполированный предел текучести, Па. Погружение кромки ножа происходит на глубину (0,2...0,25)S₀, где S₀ - толщина разрезаемого полуфабриката.

Стадия разрушения (скалывания), когда . Процесс резки жесткими ножницами сопровождается изгибом разрезаемого полуфабриката в зоне деформации под действием изгибающего момента, определяемого по формуле

, (3)

где а = (1,5...2)S₀; Z - зазор между кромками ножей, мм;

Р - усилие резки, Н.

Рис. 26. Схема резки металла жесткими ножами

Кроме того, в зоне деформации действует распирающее усилие Т, величина которого составляет

. (4)

Для предотвращения поворота заготовки под действием изгибающего момента М применяют усилие прижима Q.

Различают следующие разновидности процесса резки:

1. Резка на гильотинных ножницах (Рис. 27) с параллельными (а) и наклонными (б) ножами. Принципиальное различие их состоит в том, что при резке параллельными ножами в пластическую деформацию сдвига включается все сечение, что исключает искривление отрезаемого полуфабриката, но вызывает большое суммарное усилие резки, определяемое по формуле

, (5)

а при резке наклонными ножами процесс деформации сечения протекает последовательно при меньшем усилии резки Р, значение которого вычисляется согласно зависимости

, (6)

где - угол створа ножей, обычно принимаемый равным 3⁰ - 8⁰.

Обе разновидности гильотинных ножей применяются при прямолинейной резке, причем резка параллельными ножами - для малых толщин полуфабрикатов, а резка наклонными - для толщин до 20 - 30 мм.

2. Резка на вибрационных ножах (Рис. 28). Применяется при резке листового материала толщиной 8 - 10 мм. Верхний нож относительно небольших габаритов совершает возвратно-поступательное движение с амплитудой 2 - 5 мм и частотой 1500-2500 движений в минуту.

Рис. 27. Схема резки на гильотинных ножницах с параллельными (а) и наклонными (б) ножами

Рис. 28. Схема резки на вибрационных ножницах: 1 - верхний подвижный нож; 2 - нижний неподвижный нож; 3 - заготовка



Рис. 29. Схема резки металла на роликовых (а) и дисковых (б) ножницах

Преимущества процесса: универсальность, большие технологи-ческие возможности. Недостатки процесса: невысокая точность контура изготовляемых деталей; низкое качество кромки среза.

Резка на роликовых (Рис. 29, а) и дисковых (Рис. 29, б) ножницах. На роликовых ножницах производят как прямолинейную, так и криволинейную резку полуфабрикатов. Дисковые ножницы обеспечивают только прямолинейную резку листовых полуфабрикатов на полосы.

4. Резка резиной (Рис. 30, а), электрогидроимпульсная резка (Рис. 30, б), электромагнитная резка (Рис. 30, в) и резка взрывом (Рис. 30, г). Механизм процессов резки этими методами может быть представлен следующим образом (Рис. 31):

Рис. 30. Схем резки металлов: а - резиной; б - электроимпульсом; в - электромагнитная; г - взрывом



Рис. 31. Схема сил, действующих при резке резиной, магнитным силовым полем, гидроимпульсом и взрывом: 1 - заготовка; 2 - режущий блок, 3 - стол пресса

I стадия - выдавливание зоны заготовки в зазор между кромками режущих блоков (или матриц) и создание условий концентрации растягивающих напряжений в зоне контакта контура режущего блока за счет прогиба заготовки;

II стадия - увеличение прогиба, существенное возрастание растягивающих напряжений и образование вследствие этого в верхней (наиболее деформированной) зоне заготовки трещин, распространяющихся в направлении режущих кромок инструмента (пуансона или матрицы);

III стадия - отделение отхода от детали.

Резина и жидкость в этом случае ведут себя как плотные несжимаемые подвижные среды (квазижидкость). Механизм резки взрывом аналогичен случаям применения магнитного импульса или гидроимпульса (Рис. 30 б, в). Повысить интенсивность воздействия импульса взрыва можно используя так называемый кумулятивный эффект (Рис. 32). Подобный эффект достигается применением зарядов специальной формы, имеющих на одном конце кумулятивную выемку (Рис. 32, а). Форма выемки обеспечивает сложение ударных волн и увеличение плотности импульса, за счет чего повышается эффективность местного разрушающего воздействия взрыва. Схема протекания процесса кумулятивной резки и конструкция зарядов показаны на Рис. 32, б.

а б

Рис. 32. Схема кумулятивной взрывной пробивки отверстий (а) и резки взрывом (б): 1 - детонатор; 2 - взрывчатое вещество; 3 - деталь; 4 - металлическая облицовка; 5 - деталь после взрыва; 6 - кумулятивная струя

Процесс вырубки-пробивки (Рис. 33) можно рассматривать как резку жестким инструментом по замкнутому контуру. Механизм его аналогичен резке и состоит в упругопластическом сдвиге одной части заготовки относительно другой под влиянием касательных напряжений, вызываемых местным приложением внешних сил. Стадии процесса (I - смятие с образованием поля характеристических линий, II - возникновение скалывающих трещин, III - отделение) аналогичны схеме процесса резки (Рис. 33). Наименьшее усилие резки и качество среза (кромки детали) имеют место при оптимальном зазоре между матрицей и пуансоном.

Рис. 33 Схема процесса (а) и стадии (б) вырубки-пробивки в штампе: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - деталь

Так же как и в случае резки жестким инструментом, процесс вырубки-пробивки в зависимости от схемы напряженно-деформированного состояния в зоне сдвига имеет две разновидности: он может быть со свободным или стесненным сдвигом.

Деформирующее усилие на пуансоне для свободной вырубки определяется по формуле:

, (7)

где К - коэффициент, учитывающий степень притупления режущих кромок;

L - периметр вырубаемого контура, мм; S₀ - толщина листового материала, мм; - сопротивления материала сдвигу, Па.

Величина оптимального зазора устанавливается в зависимости от толщины заготовки и находится в пределах (0,18…0,20) S₀.

Вырубка-пробивка осуществляется в штампах (простого и последовательного действия и в компаундных) на механических (эксцентриковых и кривошипных), а также (реже) на гидравлических прессах. Вырубка-пробивка в жестких штампах нашла широкое применение в производстве деталей для летательных аппаратов и кораблей.

Гибка (свободная гибка , изгиб с растяжением , гибка-выкатка) относится к простейшим формообразующим процессам Сущность ее состоит в упругопластичном отклонении одной части заготовим под углом относительно другой под действием сосредоточенной или распределенной силы. Под свободной гибкой (Рис. 34) следует понимать гибку под действием только изгибающего момента.

Рис. 34. Схема свободной гибки металла в штампах: 1 - пуансон; 2 - деталь; 3 - матрица

При свободной гибке происходит растяжение и сжатие внутренних слоев заготовок (при этом напряженное состояние материала предполагается линейным). Свободная гибка осуществляется в гибочных штампах, на механических и гидравлических прессах, а также на установках для штамповки эластичными средами, магнитным полем и взрывом. Гибку применяют при изготовлении разнообразных деталей летательных аппаратов и машин общего назначения из листа, профилей, труб и пругков.

При изготовлении длинномерных деталей с обводами высокой точности (например, таких деталей самолетов, как шпангоутов криволинейных деталей стрингерного набора и т.п.) применяется процесс изгиба с растяжением (Рис. 35). В отличие от свободной гибки здесь наряду с изгибающим моментом к заготовке прикладывается растягивающая сила, вызывающая смещение нейтрального слоя, что приводит к замене упругого отклонения осевым сокращениям изгибаемой детали и резко повышает точность формообразования.

а б

Рис. 35. Схема нагружения (а) и эпюра напряжения (б) при изгибе с растяжением

Изгиб с растяжением осуществляется на специальных станках типа ПГР, обеспечивающих гибку деталей длиной до 6000 мм и сечением до 12000 мм².

Преимущества процесса: высокая точность изготовляемых деталей, большие технологические возможности при формообра-зовании деталей переменной кривизны.

К недостаткам процесса относятся: высокая энергоемкость, значительные отходы материала на фиксацию концов изгибаемых полуфабрикатов.

При формообразовании цилиндрических, конических и кольцевых деталей из листовых и профильных полуфабрикатов одинарной кривизны применяют процесс гибки-выкатки. Сущность его состоит в суммировании элементарных операций свободной гибки при перемещении заготовки между вращающими валками (для листовых деталей) или роликами (для профилей и труб). Различают две разновидности процесса: гибку-выкатку по симметричной схеме и асимметричную гибку-выкатку.

Под глубокой вытяжкой (штамповкой-вытяжкой) следует понимать процессы формообразования полых пространственных оболочек замкнутой и не замкнутой формы посредством создания условий тангенциального пластического сжатия в периферийных участках заготовки. Процесс применяют преимущественно при изготовлении деталей сложных форм (Рис. 36).

Рис. 36. Характерные формы оболочковых деталей, получаемых в процессе глубокой вытяжки

В зависимости от вида среды, применяемой в качестве деформирующего инструмента и носителя формы, процессы глубокой вытяжки укрупненно подразделяются на следующие классы:

- вытяжка в жестких штампах;

- вытяжка эластичным, газовым пуансоном или силовым полем по жесткой матрице;

- вытяжка эластичной, жидкостной, газовой матрицей или магнитным полем по жесткому пуансону.

Штамповка-вытяжка в жестких штампах (Рис. 37) в свою очередь, подразделяется на вытяжку с утонением и без утонения сетки.

Рис. 37. Схема процесса штамповки-вытяжки в жестких штампах без утонения стенки: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - прижим; 4 - деталь

При вытяжке без утонения стенки зазор Z между матрицей и пуансоном находится в пределах (1,1...1,3) S₀, при вытяжке с утонением зазор меньше исходной толщины заготовки.

В процессе вытяжки заготовка находится в сложном напряженно-деформируемом состоянии: фланец испытывает тангенциальное сжатие и радиальное растяжение, цилиндрическая и донная части находятся в условиях линейного одноосного растяжения. Степень деформации металла в обобщенном виде выражается коэффициентом вытяжки, представляющим собой отношение диаметров заготовки D₃ и формообразуемой детали d_n:

. (8)

Коэффициент вытяжки К показывает степень формоизменения заготовки при свертке и определяется пластическими свойствами материала, геометрическими параметрами штампуемой детали и контактным трением заготовки об инструмент.

Основными преимуществами процесса штамповки-вытяжки являются: высокая производительность, значительные техноло-гические возможности при штамповке деталей прямоугольной формы в плане. К недостаткам процесса относятся: большие потери электроэнергии на преодоление сил контактного трения, ограниченные возможности при формообразовании деталей сложного контура и относительная сложность применяемого инструмента.

Процесс штамповки-вытяжки в жестких штампах осуществляется на специализированных гидравлических и механических прессах двойного и тройного действия.

Замена жесткой матрицы универсальной из эластичной среды или жидкости, находящейся под давлением, исключает или существенно снижает вредное влияние сил контактного трения, увеличивает технологические возможности процесса вытяжки (Рис. 38).

Преимуществами процесса штамповки-вытяжки эластичной или жидкостной матрицей по жесткому пуансону с прижимом являются: возможность изготовления деталей особо сложной формы, повышение на 20 - 25 % коэффициента вытяжки по сравнению с вытяжкой в жестких штампах, высокое качество поверхностей деталей, простота и низкая стоимость сменного инструмента. К недостаткам процесса относятся: высокая энергоемкость, необходимость строгого программирования режима давления по ходу пуансона при штамповке деталей сложных форм.

Рис. 38. Схема процесса штамповки-вытяжки эластичной, жидкостной или газовой матрицей по жесткому пуансону: 1 - пуансон; 2 - эластичная матрица; 3 - деталь; 4 - прижим

Процесс штамповки - вытяжки эластичной или жидкостной матрицей по жесткому пуансону с прижимом осуществляется на специализированных станках типа ПШВР и на универсальных прессах в специализированных штампах-установках.

Штамповку-вытяжку эластичным, жидкостным, газовым пуансоном и магнитным силовым полем по жесткой матрице (Рис. 39) применяют при формообразовании из листа деталей с относительно плавными обводами (детали с фланцами и без них, сферические оболочки, детали сложной формы типа патрубков и др.). В данном случае пуансоном служит резина или полиуретан на гидравлических прессах, жидкость или газ - на специализированных установках (для гидростатического формообразования, гидроэлектроимкульсной штамповки, штамповки взрывом и магнитным силовым полем).

Преимущества процесса: простота и низкая стоимость сменного инструмента, высокое качество поверхности штампуемой детали. Недостатками процесса являются: относительно большая неравномерность толщины стенки при вытяжке с защемленным фланцем, неустойчивость течения фланца в плоскости заготовки при вытяжке с перемещением фланца.

Рис. 39. Схема штамповки-втяжки из плоской заготовки эластичны, жидкостным или газовым пуансоном по жесткой матрице: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - заготовка; 4 - прижим

металл давление штамповка деформирование

Литература

1. Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2000. - 637с.: ил.

2. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 646с.: ил.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М. Машиностроение, 2000. - 528с.

4. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., испр. - М. Машиностроение, 2003. - 511с.: ил.

5. Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. - Тула. Изд-во ТулГУ. - 2007.

6. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. - 2-е изд., перер., доп. - М. МИСИС, 2006. - 576с.

7. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров «Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в» и спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» и др. / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. - М.: Машиностроение, 2003. - 255с.: ил.

8. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М. Высшая школа, 2004. - 518с.: ил.

9. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов ВУЗов, обуч. по напр. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / А.В. Шишкин и др.; под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: ОМЕГА-Л, 2007. - 751с.: ил.(Высшее техническое образование).- (Учебное пособие)

10. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. - М.: Высшая школа, 2005. - 446с., ил.

11. Тарасов В.Л. Технология конструкционных материалов: Учеб. для ВУЗов по спец. «Технология деревообработки» / Моск. гос. ун-т леса. - М.: Изд-во Моск. гос. ун-т леса, 2006. - 326с.: ил.

Размещено на Allbest.ru