4.1 Анализ и выбор возможных вариантов раскроя

Коэффициент использования металла определяется по формуле:

,

М_Д - масса готовой детали, кг;

Н - норма расхода на одну деталь, кг.

Норма расхода определяется по формуле:

,

где М - масса единицы основного материала, используемого для штамповки, кг;

n - количество деталей, получаемых в результате раскроя единицы основного материала, шт.

Для определения рационального варианта раскроя листа определим коэффициент использования, коэффициент раскроя и норму расхода металла по первому варианту для нескольких листов в соответствии с ГОСТ 19904-90.

1. Выберем следующие размеры листов:

Однорядный раскрой полосы, при резке листа поперек его длины :

1) 700x2200 мм;

2) 1100x2200 мм;

3) 1450x3800 мм.

Масса детали «Пистон»: М_Д = 0,002 кг.

Массы выбранных листов определяются по формуле:

,

где V - объем единицы листового материала (листа), ;

с- плотность материала, кг/.

кг;

кг;

кг.

кг;

кг;

кг;

кг.

Коэффициент раскроя металла определяется по формуле:

,

где М_з- масса заготовки для одной детали, вычисляемая как масса материала со сторонами, которые равны ширине полосы (ленты) и шагу штамповки, кг;

М_д - масса готовой детали, кг.

Масса заготовки вычисляется по формуле:

,

где V_з- объем материала заготовки для одной детали,м³;

- плотность материала, кг/м³.

кг;

кг;

; .

Таблица 3 - Варианты раскроя листа при штамповке детали «Пистон».

Из выполненных расчетов видно, что применение в качестве исходного материала листа 1100x2600 с однорядным раскроем вдоль его длины наиболее эффективно. Выбор этого варианта раскроя позволяет повысить коэффициент использования металла на 0,184 по сравнению с базовым вариантом и уменьшить норму расхода металла на 0,006 кг.

Условное обозначение:

Лист

Исходный материал поступает на завод в виде листов, которые предварительно перед штамповкой разрезают на полосы. Резка листа на полосы является заготовительной операцией перед штамповкой и проводится на гильотиновых ножницах, рис. 4.5.

Для выбора оборудования необходимо знать силу резания и габаритные размеры разрезаемого материала.

Определим силу резания [2, табл. 2, стр. 10]:

,

где S - толщина материала, мм;

ц=2…5⁰ - угол скоса гильотинных ножей;

у_ср-сопротивление срезу, МПа;

у_ср=(0,6…0,8)у_В=(0,6…0,8)930=(558…744) ?650 МПа

.

С учетом возможного притупления ножей сила может возрасти на 30% и составит:

.

1 - верхний подвижный нож;

2 - лента;

3 - нижний неподвижный нож.

Рисунок 4.5 - Схема гильотинных ножниц.

Резка листа на полосы осуществляется на гильотинных ножницах, и в результате получаем полосы длиной 2600 мм и шириной 31,4 мм.

По рассчитанной силе резания и размерам листа выбираем кривошипные наклонные ножницы модели Н406А.

Технические характеристики кривошипных наклонных ножниц модели Н406А представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Технические характеристики кривошипных ножниц модели Н406А.

5. Технологические расчеты

В соответствии с выбранным вариантом технологического процесса для изготовления детали «Пистон» необходимо выполнить следующие операции:

Вариант 2

1. Разрезка листа на полосы;

2. Контроль;

3. Лакирование;

4. Вырубка + вытяжка;

5. Обжиг;

6. Закалка;

7. Слесарная;

8. Лакирование;

9. Калибровка;

10. Обжиг;

11. Слесарная;

12. Обрезка фланца ;

13. Пробивка дна;

14. Лакирование;

15. Отбортовка;

16. Обдувка;

17. Маркирование;

18. Контроль.

Полосу подают в штампы для выполнения совмещенных операций вырубки и вытяжки. Для определения размеров детали после вытяжки необходимо определить количество потребных операций и максимальную высоту (глубину) вытяжки. Наибольшая высота вытяжки, которую можно выполнить за одну вытяжку,

,

где k₁ - коэффициент, определяемый по [3, табл. 20, стр. 35].

Первую вытяжку фланцем необходимо выполнить таким образом, чтобы при последующих вытяжках диаметр фланца D_Ф не изменялся.

При

Таким образом, получаем, что k₁=0,82

По [3, табл. 20, стр. 35], определяем значение коэффициента вытяжки m₁:

Определим наибольшую высоту детали и диаметр, которые можно получить за вытяжку:

.

Определили наибольшую высоту и диаметр детали, которую можно получить за вытяжку инженерным методом.

Таким образом, установили, что за первую операцию можно вытянуть эту цилиндрическую деталь высотой не более 11,48 мм, а так как нам необходимо получить деталь высотой 6 мм, можно сделать вывод, что деталь по требуемым размерам можно получить за одну операцию вытяжки.

На качество вытяжки очень сильное влияние оказывает радиус сопряжения между боковыми стенками и фланцевой частью детали. Чем больше этот радиус, тем меньше вероятность образования дефектов при вытяжке. Поэтому для улучшения течения металла в месте сопряжения боковых стенок и фланца увеличим этот радиус при проведении вытяжки до 2 мм, затем выполним операцию калибровки для уменьшения этого радиуса до размера, требуемого по чертежу детали - 1 мм.

5.2 Расчет потребных сил штамповки, построение графика расчетных нагрузок

Рассчитаем силы, необходимые для изменения формы заготовки на каждом из технологических переходов.

Вырубка и вытяжка.

Силу вырубки найдем по формуле [3, стр. 19]:

p= 1,3у_срSL_;

Это сила соответствует ходу пуансона равному 1,6 мм.

где p - сила вырубки, кН;

- периметр контура вырубки, мм;

- толщина материала, мм;

- сопротивление срезу, зависящее от механических свойств металла, относительной толщины заготовки, скорости процесса, МПа. Принимается по таблице [2, табл. 221, стр. 510]; 1,3- коэффициент, учитывающий износ кромок.

=650 МПа;

=90,1818 мм;

кН;

Полная сила вырубки составляет:

=кН;

Сила вытяжки определяется по формуле [3, стр. 24]:

p= kу_вSL_в;

Эта сила соответствует ходу пуансона равному 6 мм.

где - периметр сечения вытягиваемой детали в плоскости, перпендикулярной к направлению вытяжки, мм;

- коэффициент, учитывающий радиальное напряжение в зависимости от технологических параметров [3, табл. 10, стр. 26], принимаем =0,85;

- предел прочности, МПа. Принимается по таблице [2, табл. 221, стр. 510], ;

мм;

Полная сила вытяжки:

кН;

Построим по полученным данным график технологических нагрузок, используя типовые графики [4, стр. 184], рис. 5.1.

1-вырубка; 2-вытяжка

Рисунок 5.1 - График технологических нагрузок:

Рабочий ход штампа совмещенного действия равен 6,8 мм.

Определим работу, необходимую для выполнения операций вырубки и вытяжки.

Эскиз заготовки после вырубки и вытяжки представлен на рис. 5.2.

Работу при вырубке находим для определения запаса энергии, которой должен обладать пресс. Работа при вырубке находим по формуле [3, стр. 22].

;

где - усредненная сила вырубки, кН, составляет (в долях от силы ) =60…65% [3, табл. 7, стр. 22].

=кН;

рабочий ход пуансона, осуществляемого вырубку, мм

Рабочий ход ползуна при вырубке с параллельными режущими ребрами пуансона и матрицы равен толщине материала S, т.е. 0,8 мм.

Дж;

Отсюда полная работа вырубки:

39,7 Дж;

Полную работу операции вытяжки с прижимом определяется по формуле:

,кДж

где - сила вытяжки, кН;

-глубина вытяжки, мм;

P_ПРЖ - сила прижима;

кДж.

Рисунок 5.2 - Эскиз заготовки после вырубки и вытяжки

Калибровка.

Эскиз заготовки после калибровки представлен на рис. 5.3.

Сила калибровки, если она выполняется без правки, невелика, и поэтому ее обычно не рассчитывают.

Рисунок 5.3 - Эскиз заготовки после калибровки

Обрезка фланца.

Эскиз заготовки после обрезки фланца представлен на рис. 5.4.

Силу обрезки фланца найдем по формуле ([3],стр.19):

Работу при обрезке фланца находим для определения запаса энергии, которой должен обладать пресс. Работу находим по формуле ([3], стр.22), кДж:

Рисунок 5.4 - Эскиз заготовки после обрезки фланца

Пробивка дна.

Эскиз заготовки после пробивки дна представлен на рис. 5.5.

Силу пробивки отверстия определим по формуле:

кН;

Работа при пробивке:

кДж.

Рисунок 5.5 - Эскиз заготовки после пробивки дна

Отбортовка.

Эскиз заготовки после отбортовки представлен на рис. 5.6.

Сила, необходимая для отбортовки :

,

где - диаметр получаемого отверстия, - диаметр исходного отверстия.

Рисунок 5.6 - Эскиз заготовки после отбортовки

5.3 Выбор оборудования

Выбор оборудования осуществляется по типовым графикам технологических нагрузок [4, рис. 7.1, стр. 128], номинальному рабочему графику и расчетным силам деформирования. На основании выполненных расчетов установили, что наибольшие силы деформирования будут при вырубке заготовки и вытяжке и обрезке фланца. Поэтому пресс выбираем именно по этим силам:

кН, кН, кН_.

Номинальный ход пресса при вырубке и обрезке фланца:

;

где a=0,06мм коэффициент, который определяется по типовому графику [4, стр. 128].

Номинальный ход пресса при вытяжке:

листовой штамповка деталь пистон

;.

Суммарный номинальный ход будет равен:

;

Номинальная сила пресса должна составлять не менее:

При вырубке: кН,

При обрезке фланца: кН,

При вытяжке: кН.

Сила пресса обычно берется значительно больше расчетной силы для увеличения запаса жесткости и повышения надежности и долговечности пресса и штампа.

По расчетам номинальной силы деформирования и номинального хода пресса выбираем пресс однокривошипный простого действия открытый не наклоняемый с номинальной силой 250 кН модели КД2322. Технические характеристики пресса представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Технические характеристики пресса модели КД2322.

Для калибровки, пробивки и обрезки фланца также выбираем данный пресс.

6. Расчет и конструирование оснастки

Штамп совмещенного действия для вырубки и вытяжки

В штампе совмещенного действия выполняются следующие операции: вырубка исходной заготовки и вытяжка с фланцем. Для выполнения этих операций будем использовать штамп с нижним расположением вырубной матрицы и вытяжного пуансона и верхним расположением пуансон-матрицы, служащей для вырубки исходной заготовки и последующей вытяжки из нее цилиндрического стакана. Для снятия полосы с вырубного пуансона после вырубки необходимо предусмотреть съемник. Для снятия готовой детали с вытяжного пуансона, а также для выталкивания готовой детали из пуансон-матрицы применяются нижний и верхний выталкиватели.

Штамп работает следующим образом. Полоса исходного материала устанавливается на матрице 7 и фиксируется на ней упором 36 и планкой 17. При опускании верхней плиты режущая кромка пуансон-матрицы 9 осуществляет вырубку исходной заготовки. После вырубки заготовка ложится на вытяжной пуансон и при дальнейшем опускании верхней плиты пуансон-матрица 9 выполняет вытяжку цилиндрического стакана необходимой высоты. Выталкиватель 15 при вытяжке играет роль прижима, т.е. он прижимает заготовку к торцу пуансон-матрицы 9. Удаление детали после штамповки из вырубной матрицы осуществляется при помощи выталкивателя 19, получающего движение от толкателя 37. Для удаления детали из пуансон-матрицы 9 служит выталкиватель 15 посредством штифта 30. Деталь удаляется вручную пинцетом.

Штамп для калибровки

В штампе для калибровки выполняется следующая операция: калибровка заготовки. Для выполнения этой операции будем использовать штамп с нижним расположением калибровочной матрицы и верхним расположением калибровочного пуансона.

Штамп для обрезки фланца

В штампе для обрезки фланца выполняется следующая операция: обрезка фланца заготовки. Для выполнения этой операции будем использовать штамп с верхним расположением вырубной матрицы и нижним расположением пуансона.

Штамп для пробивки дна.

В штампе для пробивки дна выполняется следующая операция: пробивка дна заготовки. Для выполнения этой операции будем использовать штамп с нижним расположением матрицы и верхним расположением пуансона.

Штамп для отбортовки.

В штампе для отбортовки выполняется следующая операция: отбортовка заготовки. Для выполнения этой операции будем использовать штамп с нижним расположением матрицы и верхним расположением пуансона для отбортовки.

Схемы штампов приведены в приложениях.

6.2 Расчет исполнительных размеров рабочих элементов штампа

Инструмент для вырубки.

При вырубке заготовки матрица определяет размер детали и поэтому она является основной рабочей деталью, а пуансон дорабатывается по матрице с определенным зазором.

Исполнительные размеры матрицы определяются по формуле

,

где L_Н - номинальный размер детали(заготовки), мм;

П_И - припуск на износ матрицы;

- предельные отклонения исполнительного размера матрицы.

Припуск на износ и предельные отклонения исполнительного размера матрицы составляют для размера заготовки 29 мм:

П_И =0,140мм; =0,035мм.

Таким образом, исполнительный размер матрицы будет составлять:

мм;

Припуск на износ и предельные отклонения исполнительного размера матрицы составляют для размера заготовки 26 мм:

П_И =0,120мм; =0,035мм.

Таким образом, исполнительный размер матрицы будет составлять:

мм.

Исполнительные размеры сопрягаемой детали (пуансона) подгоняются по размерам основной детали с зазором z и допуском на зазор z.

;

При S=0,8 мм z=0,063 мм, z=+0,020 ([4], табл.14, стр.67).

мм;

мм.

Форма и наружные размеры матрицы определяются формой и размерами штампуемой детали. Высоту вырубной матрицы определим по формулам:

где H_M -толщина матрицы;

S - толщина штампуемого материала;

К_М =1,3 ([6], стр.76), a=29 мм и b=26 мм.

Из двух значений выбираем большее значение Н_М и округляем его до большего стандартного значения.

Получили Н_м=20 мм.

Далее определим наружный размер матрицы.

Наружный диаметр матрицы принимается в зависимости от размеров рабочей зоны матрицы a=29 и b=26 и должен составить ([4], табл.17, стр. 75) A=120 мм и B=100 мм.

Для крепления матрицы с такими размерами необходимо использовать винты М8 и штифты диаметром 6 мм ([4], табл.18, стр.77). Координаты отверстий для крепления матрицы определяют по следующей формуле (см. рис.6.1):

мм;

мм.

Из двух значений выбираем большее значение и округляем его до большего стандартного значения.

Получили Н_м=75 мм.

Вырубной пуансон в данном случае совмещается с матрицей для вытяжки поэтому его полная высота с учетом расположения в нем выталкивателя составит 50 мм с учетом возможности переточки.

Аналогично определяем исполнительные размеры матрицы и пуансона для операций обрезка фланца и пробивка дна, табл.6.

Таблица 6 - Исполнительные размеры матрицы и пуансона для операций обрезка фланца и пробивка дна.

Инструмент для вытяжки

Исполнительные размеры инструмента для вытяжки будем определять с учетом допуска на готовую деталь, так как вытяжка в нашем случае выполняется за одну операцию.

,

где В - номинальный размер изделия;

-предельное отклонение номинального размера штампуемого изделия;

z_вт -односторонний зазор при вытяжке, который для стали определяется по формуле:

,

где S - толщина штампуемого материала, мм.

.

Таким образом, исполнительные размеры пуансона и матрицы для вытяжки составят:

мм;

мм.

Наружные размеры вытяжной матрицы будут равны исполнительным размерам вырубного пуансона.

6.3 Определение центра давления штампа

Для правильной уравновешенной работы штампа необходимо вырубаемый или вытягиваемый контур расположить на матрице таким образом, чтобы центр давления совпадал с осью хвостовика. В противном случае в штампе возникают перекосы, несимметричность зазора, износ направляющих, а возможна и поломка штампа.

Так как заготовка, получаемая на первом технологическом переходе осесимметричная в плане, то геометрические центры штампа для совмещенной вырубки и вытяжки и детали совпадают с осью симметрии заготовки.

6.4 Проверочный прочностной расчет деталей штампов

Расчет вырубной матрицы

Проверка пробивных и вырубных матриц выполняется специальным расчетом, основанным на определении напряжений, возникающих в опасном сечении. Опасным является сечение, проходящее через отверстия, острые углы и др. При расчете исходят из того, что сила, распирающая матрицу в опасном сечении, составляет не менее 40 % технологического усилия. Проверку выполняем по[5, стр. 15].

,

где [у_р]- допускаемое напряжение на разрыв ( [у_р]=250 МПа );

Р- технологическая сила (сила пробивки), Н;

F- площадь опасного сечения, мм² .

В нашем случае для вырубной матрицы опасным будет являться сечение, проходящее через ось симметрии через отверстия под штифты.

Площадь опасного сечения определили графически, используя чертеж матрицы и она составляет 3422 мм².

.

Таким образом, получили, что расчетное напряжение на разрыв не превышает допустимого напряжения, следовательно, условие прочности пуансон-матрицы на разрыв выполняется.

Форма и наружные размеры матрицы определяются формой и размерами штампуемой детали. Высоту вырубной матрицы определим по формулам:

где H_M -толщина матрицы;

S - толщина штампуемого материала;

К_М =1,3 ([5], стр. 76), a=29 мм и b=26 мм.

Из двух значений выбираем большее значение Н_М и округляем его до большего стандартного значения.

Получили Н_м = 20 мм.

Далее определим наружный размер матрицы.

Наружный диаметр матрицы принимается в зависимости от размеров рабочей зоны матрицы a=29 и b=26 и должен составить [5, табл. 17, стр. 75] A=120 мм и B=100 мм.

Для крепления матрицы с такими размерами необходимо использовать винты М8 и штифты диаметром 6 мм [5, табл. 18, стр. 77]. Координаты отверстий для крепления матрицы определяют по следующей формуле:

мм;

мм.

Из двух значений выбираем большее значение и округляем его до большего стандартного значения.

Получили D_м = 75 мм.

Расчет вырубного пуансона

Вырубной пуансон необходимо проверять на смятие опорной поверхностью головки пуансона поверхности плиты и на сжатие и продольный изгиб самого пуансона в наименьшем сечении [5]. Напряжение смятия поверхности головки вычисляют по формуле:

,

где Р - технологическая сила, воспринимаемая пуансоном, Н;

F_гол. -площадь поверхности головки пуансона, мм².

[у_см]=300…400 МПа.

мм².

МПа.

Расчетное напряжение на смятие не превышает допустимого напряжения, следовательно, условие прочности на смятие для пробивного пуансона выполняется.

Проверку на сжатие осуществляется с учетом продольного изгиба.

Определим коэффициент ц понижения допускаемого напряжения у_сж, зависящий от условной гибкости пуансона и учитывающий возможную потерю устойчивости пуансона (его продольный изгиб), который зависит от параметра:

,

где h_п - длина рабочей части пуансона, мм;

F_раб - площадь рабочей части пуансона, мм;

I - минимальный осевой момент инерции поперечного сечения рабочей части пуансона, мм⁴.

.

ц=0,72 ([5], стр. 102).

Напряжение сжатия вычисляется по формуле:

,

где Р - сила воспринимаемая пуансоном, Н;

F_к - площадь контакта рабочего торца пуансона со штампуемым материалом, мм²;

[у_сж ] - допускаемое напряжение на сжатие для стали У8А составляет 1600 МПа.

МПа< [у_сж].

Расчетное напряжение на сжатие не превышает допустимого напряжения, следовательно, условие прочности на сжатие для пробивного пуансона выполняется.

Так как напряжение смятия у_см не превышает 100 МПа, то подкладную плитку под пуансон ставить необязательно.

Выбор плит штампа и направляющих узлов

Размеры в плане нижней и верхней плит определяются из конструктивных соображений по размерам пакета. Габаритные размеры нижней плиты должны обеспечивать возможность крепления нижней части штампа на столе пресса. Размеры в плане верхней плиты не должны превышать размеров нижней плиты и также должны обеспечить возможность крепления к ползуну пресса.

Для изготовления плит штампов необходимо по возможности использовать стандартные заготовки. Поэтому выбираем для плит штампа совмещенного действия заготовки по ГОСТ 13114-75. Размеры плит выбираются из стандартного ряда с учетом возможности размещения на них пакета и направляющих узлов и составляют 250x180 мм. Высота нижней плиты выбирается в зависимости от площади ее опорной поверхности на основании опытных данных [4, стр.41].

Площадь опорной поверхности нижней плиты будет составлять не менее 450 см², поэтому высота нижней плиты в данном случае должна составлять 40 мм.

Выбор размеров направляющих узлов основан на габаритных размерах нижней плиты и действующей на нее силе [4, стр. 17]. При заднем расположении направляющих узлов диаметр направляющих колонок определяется по формуле:

,

а затем увеличивается до следующего стандартного значения [4, стр.41].

мм.

Принимаем d_нп=25 мм.

Габаритные размеры верхней плиты принимаем равными габаритным размерам нижней плиты 250x180 мм, а ее толщину выбираем в зависимости от размеров хвостовика, которые в свою очередь определяются размерами отверстия в ползуне пресса. В выбранном для выполнения данного технологического перехода прессе диаметр отверстия под хвостовик составляет 100 мм, поэтому выбираем хвостовик с буртиком по ГОСТ 16718-71 диаметром 100 мм и длинной 85 мм. Длина посадочной части хвостовика составляет 20 мм, поэтому толщина верхней плиты должна составлять не менее 20 мм, в данном случае составляет 40 мм.

7. Выбор смазки и способ ее нанесения

Назначение смазки при вытяжке заключается в уменьшении трения между материалом и инструментом, снижении напряжения в металле и предохранении штампов и изделий от налипания, задиров и царапин.

Смазка должна обладать следующими свойствами:

- давать хорошее прилипание и равномерное распределение смазывающего слоя по поверхности;

- легко удаляться с поверхности детали;

- не портить механически и химически поверхность инструмента и детали;

- быть химически стойкой и безвредной.

По заводской базовой технологии применяется лакирование. В данном варианте технологии листовой штамповки детали «Пистон» также будет использоваться лакирование, ЛАК ПЕРХЛОРВИНИЛ АК-113 по ГОСТ 23832-79 с двух сторон.

Нанесение лака будет производиться вручную кистью в вытяжной камере.

Заключение

В данной работе была проанализирована базовая (заводская) технология и предложены два варианта разработки технологического процесса изготовления детали «Пистон», проведен анализ рационального варианта технологического процесса получения детали «Пистон», спроектирован рациональный раскрой листового материала, выполнены технологические расчеты, спроектирована оснастка.

Цель проекта, а именно повышение показателей эффективности использования металла и сокращение технологических операций и переходов при изготовлении детали «Пистон» методом листовой штамповки в условиях мелкосерийного производства, была достигнута. За счёт обоснованного уменьшения размеров исходной заготовки и выбора рационального раскроя полосы. Был предложен новый рациональный вариант технологии изготовления детали, который позволяет сократить время изготовления детали, и не усложняет конструкцию штампов.

Библиографический список

1. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением / Богатов А.А., Мижрицкий О. И., Смирнов С. В. - М.:Металлургия, 2014. - 144с.

2. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. - 6-е изд. перераб и доп. - Л.: Машиностроение, 2009. - 520 с.

3. Технология листовой штамповки. Курсовое проектирование / Стеблюк В.И. и др.-Киев: Вища школа. Головное изд-во,2009. - 280 с.

4. Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для машиностроительных вузов / А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров и др.; Под ред. А.Н. Банкетова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2012. - 576 с.

5. Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка/Под общ. ред. Л.И.Рудмана. - М.: Машиностроение

Приложение А (справочное)