Совершенствование проектирования и изготовления пуансонов и матриц
ART 970561
Авторы:
А.
Д. Дзеник, Р.
В. Гавариев
А.
Д. Дзеник, Р.
В. Гавариев Библиографическое описание статьи для цитирования:
Дзеник
А.
Д.,
Гавариев
Р.
В. Совершенствование проектирования и изготовления пуансонов и матриц // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
1171–1175. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/970561.htm.
Аннотация. Статья посвящена совершенствованию проектирования и изготовления пуансонов и матриц для штампов холодной листовой штамповки. Приведена методика расчета исполнительных размеров пуансонов и матриц для разделительных и формообразующих операций, а также показана возможность использования лазерной обработки и ионной имплантации поверхности пуансонов и матриц для повышения износостойкости.
Ключевые слова:
матрица, лазерная обработка, холодная штамповка, пуансон, исполнительные размеры, ионная имплантация
Текст статьи
Гавариев Ренат Вильсорович,кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и технологии машиностроительных производств ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.ТуполеваКАИ», г. Набережные Челныgavarievr@mail.ru
Дзеник Александр Дмитриевичстудент кафедры конструирования и технологии машиностроительных производств ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.ТуполеваКАИ», г. Набережные Челныsashadzenic@mail.ru
Совершенствование проектирования и изготовления пуансонов и матриц
Аннотация.Статья посвящена совершенствованию проектирования и изготовления пуансонов и матриц для штампов холодной листовой штамповки. Приведена методика расчета исполнительных размеров пуансонов и матриц для разделительных и формообразующих операций, а также показана возможность использования лазерной обработки и ионной имплантацииповерхности пуансонов и матриц для повышения износостойкости.Ключевые слова: холодная штамповка,пуансон, матрица, исполнительные размеры, лазерная обработка, ионная имплантация.
Качество проектирования и точность обработки поверхностного слоя пуансонов и матриц имеет большое значение для производства качественных деталей способом холодной листовой штамповки. Поверхностный слой почти любого материала, используемого в настоящее время, отличается от основного материала. Во многих случаях этот поверхностный слой благотворно влияет на длительность эксплуатации изделия. Такая комбинация поверхностьобъем может рассматриваться как композит, одним из компонентов которого является поверхностный слой, включающий в себя как естественно образующиеся оксидные пленки, которые защищают некоторые материалы (например, алюминий, титан, нержавеющую сталь), так и микродобавки легирующих элементов, вводимые для получения особых заданных свойств.
Важными характеристиками поверхностей являются:1) особые свойства материала покрытия, зависящие от состава и микроструктуры; 2) взаимодействие между покрытием и подложкой; 3) адгезионные характеристики покрытия —наиболее важные, поскольку можно и не получить заданных свойств материала без прочной связи между покрытием и подложкой.На свойства поверхности влияют следующие явления: коррозия в газовой фазе и водных растворах, износ, катализ, сварка и пайка, эрозия, влияние ингибиторов, пассивация, адгезия, спекание и абляция. Это явление необходимо учитывать практически в любом случае обработки поверхности.В современных условиях проектирование и изготовление пуансонов и матриц должно производиться в следующей последовательности:1. Определение размеров пуансона и матрицы штампов холодной листовой штамповки для разделительных операций;2. Расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампов при гибкеи вытяжке;3. Дополнительная обработка поверхности с целью повышения износостойкости пуансонов и матриц.1. Обзор дополнительных методов обработки поверхностей для улучшения свойств
Многие виды обработки поверхности осуществимы в промышленных масштабах и обеспечивают изменение в широком диапазоне таких свойств, как механические, химические, магнитные, электронные и др.Методы обработки поверхности можно классифицировать согласно следующей схеме:1) механические методы (дробеструйный наклеп, ударное упрочнение, поверхностный наклеп); 2) методы физикохимической модификации материала (ионная имплантация, ионные азотирование и цементация); 3) методы лазерной обработки поверхностей материалов, позволяющие получать поверхностные слои с составом и микроструктурой, отличными от состава и микроструктуры материала подложки.Некоторые новые методы обработки поверхности должны найти широкое применение при обработке деталей штампов, прежде всего пуансонов и матриц. Кним относятся лазерная обработка поверхности, обработка электронными пучками, ионная имплантация и ионное осаждение. Лазерная обработка поверхности заключается в быстром сканировании поверхности непрерывным или пульсирующим лазерным лучом [4]. Высокоэнергетический лазерный луч вызывает локальное оплавление тонкого поверхностного слоя, тогда как лежащие глубже слои материала остаются холодными. При этом расплавленный поверхностный слой подвергается быстрой закалке изза плотного контакта с массой холодного материала на границе раздела. При лазерной обработке никелевых сплавов вычисленные скорости охлаждения в слоях толщиной 103 мм составляют —
град/с. Возможно применение лазерной обработки поверхностей для повышения стойкости материалов против износа, коррозии, эрозии и усталости.При очень высоких плотностях энергии (порядка Вт/см2), достижимых при импульсных режимах работы лазеров, происходит почти мгновенное испарение поверхностного слоя. При длительности импульса секундвзаимодействие ограничивается поверхностным слоем, и быстрое расширение испаренного металла дает эффект ударной волны. Ударная волна, распространяясь, отражается внутри подложки, вызывая упрочнение поверхности. При этом лазер обеспечивает точный контроль подводимой энергии и высокую воспроизводимость результатов[6]. Для фазового упрочнения при нагреве такого же по глубине слоя без его оплавления требуется меньшая энергия. Несколько большие величины энергии вызывают оплавление тонкого поверхностного слоя и применяются при поверхностном легировании. Cкорости охлаждения поверхностных слоев порядка град/с легко достижимы, поэтому в поверхностных слоях можно формировать ультрамикрокристаллические структуры.Ионная имплантация в настоящее время привлекает большое внимание изза ее возможностей повышения износостойкости поверхностных слоев материала[6]. Проводится имплантация различных частиц, что в ряде случаев благотворно влияет на свойства подложки и ее характеристики. Важно подчеркнуть, что ионная имплантация –это не метод нанесения покрытия; атомы исходного материала всегда составляют основу слоя, подвергнутого имплантации. В этом методе ионные частицы имплантируются в поверхность без наращивания какоголибо дополнительного слоя. Ионная имплантация отличается также и от диффузионных процессов, таких, как науглероживание и азотирование, которые тоже связаны с введением инородных частиц в поверхностные слои, но ограничены диффузионным механизмом или пределами растворимости до нескольких примесей внедрения (в отличие от ионной имплантации). Ионная имплантация имеет большие перспективы в технологии обработки металлов при разработке новых материалов для инструмента и изучении влияния метастабильности на свойства материалов.
2. Определение размеров пуансона и матрицы штампов холодной листовой штамповки для разделительных операций
К разделительным операциям холодной листовой штамповки относятся вырубка, пробивка, отрезка, разрезка, обрезка, надрезка, проколка, зачистка. Подробное описание и технологические расчеты разделительных операций приведено в работах Л.И.Рудмана [1], А.Д.Матвеева [2], Г.Д.Скворцова [3] и других авторов. Важнейшей задачей при выполнении технологических расчетов разделительных операций холодной листовой штамповки является расчет исполнительных размеров инструмента –матриц и пуансонов. Рабочие детали штампов для разделительных операций (вырубки и пробивки) изготавливают совместно и раздельно [1]. При совместном изготовлении одна из рабочих деталей дорабатывается по другой, т.е. при вырубке пуансон по матрице (матрица определяет размер штампуемого элемента и является «основной», а при пробивке –матрица по пуансону (пуансон определяет размер отверстия и является «основной» деталью) . При раздельном изготовлении пуансонов и матриц, когда они обрабатываются до окончательных размеров без взаимного согласования, точность расчета исполнительных размеров имеют решающее значение. В противном случае пуансоны и матрицы окажутся просто непригодны к работе, т.к. не смогут обеспечить необходимую точность штампуемых деталей. Исполнительные размеры пуансонов и матриц обычно определяют по таблицам [13], что не всегда является удобным изза обширной номенклатуры деталей, получаемых вырубкой и пробивкой, штамповочных элементов деталей самых разнообразных форм и т.д. Поэтому целесообразно упростить расчет размеров пуансонов и матриц путем введения универсальных формул для большинства разделительных операций, в т.ч. вырубки и пробивки. Исполнительные размеры рабочих деталей (штампов для вырубки и пробивки), соответствующие заданному размеру штампуемой детали, определяем в следующей последовательности. По марке и толщине штампуемого материала определяем зазор между пуансоном и матрицей (табл.1, где –наименьший допустимый двухсторонний зазор, мм); –предельное отклонение в сторону увеличения двухстороннего зазора, мм).Приближенно зазор между пуансоном и матрицей для большинства деформируемых сталей и цветных металлов можно определить следующим образом:1)при толщине материала зазор равен (4 –6)% от толщины листа;2)при толщине материала зазор равен (6 10)% от толщины листа.Исполнительные размеры матриц и пуансонов определяются исходя из того, что при вырезке в штампах отделившаяся часть имеет диаметр матрицы, а образовавшееся отверстие диаметр пуансона.Следовательно, если размер изделия по наружному контуру обозначить , а по внутреннему , то при оптимальных величинах зазоров можно принять:1)размер вырубаемого контура равен размеру матрицы ;2)размер пробиваемого отверстия равен размеру пуансона .Исполнительные размеры матриц и пуансона определяют с учетом их износа при работе, исходя из полей допусков сопряженных элементов штампа.Таблица 1Двухсторонние зазоры между матрицей и пуансоном в штампах для разделительных операций
Толщина материала , ммНизкоуглеродистая сталь, медь, латунь, алюминий=200–360Н/мм2Среднеуглеродистая сталь, дюралюминий, бронза=360–520 Н/мм2Высокоуглеродистая сталь, трансформаторная сталь> 520 МПа0
0,10,005
0,006
0,007
0,20,010+0,0100,012+0,0100,014+0,0100,30,0150,0180,0210,40,0200,0240,0280,50,0250,0300,0350,60,030+0,0200,036+0,0200,042+0,0200,70,0350,0420,0490,80,0400,0480,0560,90,0450,0540,0631,00,0500,0600,0701,20,070+0,0300,080+0,0300,100+0,0301,50,0900,1100,1201,80,110+0,0500,130+0,0500,140+0,0502,00,1200,1400,1602,20,1600,1800,2002,50,1800,2000,2302,80,2000,2200,2503.00,210+0,1000,240+0,1000,270+0,1003.50,2800,3200,3504.00,3200,3600,4004.50,3600,4500,5405.00,4000,5000,600
Приближенно зазор между пуансоном и матрицей для большинства деформируемых сталей и цветных металлов можно определить следующим образом:3)при толщине материала зазор равен (4 –6)% от толщины листа;
4)при толщине материала зазор равен (6 10)% от толщины листа.Исполнительные размеры матриц и пуансонов определяются исходя из того, что при вырезке в штампах отделившаяся часть имеет диаметр матрицы, а образовавшееся отверстие диаметр пуансона.Следовательно, если размер изделия по наружному контуру обозначить , а по внутреннему , то при оптимальных величинах зазоров можно принять:3)размер вырубаемого контура равен размеру матрицы ;4)размер пробиваемого отверстия равен размеру пуансона .Исполнительные размеры матриц и пуансона определяют с учетом их износа при работе, исходя из полей допусков сопряженных элементов штампа.При образовании наружного контура (рис.1) допуск на вырабатываемый контур детали обычно дается в тело, так что номинальный размер контура –это наибольший размер контура детали.
Поле допуска на изготовление матрицы дается в тело и располагается внутри детали. При этом край допускане совпадает с краем поля допуска , так как допуск на инструмент на 1 –2 квалитета выше, чем допуск на деталь. Этим гарантируется минимальный припуск на износ матрицы.
Рис.1. Взаимное расположение полей допусков на детальи инструмент при вырубке наружного контура
Рассмотрим расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампа при разделительных операциях.
Условные обозначения:
–номинальный размер контура детали, получаемой вырубкой или отрезкой, мм;
–исполнительный размер рабочего окна матрицы вырубного штампа, мм;
–номинальный размер отверстия в штампуемой детали (размер любого по конфигурации отверстия), мм;
–исполнительный размер рабочей части пуансона пробивного штампа, мм;
–верхнее и нижнее допускаемые отклонения штампуемой детали, мм;
–допуск на изготовление соответственно матрицы и пуансона, мм;
–поле допуска штампуемой детали (на наружный и внутренний контуры), мм;
–припуск на износ инструмента (матрицы или пуансона),мм.При штамповке деталей, изготовляемых с предельными отклонениями по 11 –12 квалитетам точности, припуск на износ рабочих частей принимают , а по 6 –9 квалитетам .Допуски на неточность изготовления рабочих контуров при вырубке и пробивке следует принимать по таблице 2 в зависимости от величины режущего зазора и номинального диаметра детали.При вырубке детали ее размеры определяет матрица, поэтому при расчете исполнительных размеров режущих кромок за основу принимают матрицу, а размеры режущих кромок пуансона подсчитываются зависимости от размеров матрицы и технологического зазора. При пробивке отверстия размеры последнего определяются размером пуансона, поэтому при расчетах исполнительных размеров рабочих частей за основу принимается пуансон (рис.2). Исполнительные размеры рабочих контуров «основных» деталей штампа следует определять в соответствии с допускаемыми отклонениями размеров изделия по формулам из таблицы 3.
Таблица 2Допуски на неточность изготовления рабочих деталей штампа, мм
Предельное отклонение размеров штампуемой детали Припуск на износ рабочих деталей штампа Предельное отклонение размеров рабочих деталей при их совместном изготовленииматрицы пуансона 0,0200,0200,0060,0040,0250,0250,0080,0050,0300,0300,0090,0060,0350,0350,0110.0080,0400,0400,0110,008\
Рис.2. Взаимное расположение полей допусков на детальи инструмент при пробивке отверстия
Исполнительные размеры матрицы и пуансона при односторонней отрезке определяются конструктивно. Обычно зазор между матрицей и пуансоном принимается равным половине двухстороннего зазора, рассчитанного по формулам из табл. 3. Однако при этом для обеспечения хорошего качества поверхности среза, а также отсутствия изгиба отрезаемой и исходной заготовки необходимо обеспечить их надежный прижим, определяемый из условия равенства моментов по формулам [1]
; ,
где , –усилие прижима заготовки и отрезаемой части, Н;
–усилие резки, Н;
, –длина зоны прижима заготовки и отрезаемой части, мм.
Таблица 3Формулы для расчета исполнительнее размеров «основных» рабочих деталей разделительных штампов
Как задан допуск на штампуемую деталь«Основная» рабочая деталь штампаФормулы при
Матрица
Пуансон
Пример расчета.Из листовой латуни при = 350 Н/мм2толщиной 0,5 мм вырубается круглая деталь диаметром . Определить исполнительные размеры рабочего отверстия матрицы и соответствующий диаметр пуансона.Решение: 1. Деталь ограничена допуском по 11 квалитету, поэтому допуск на износ рабочих частей принимаем , а допуск на изготовление по и . «Основной» рабочей деталью является матрица.2. Размер рабочего отверстия матрицы
мм.
3. Исполнительный размер пунсона
.
Для латуни толщиной 0,5 мм минимальный зазор на диаметр равен 0,060 мм, следовательно мм.
3. Расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампов при гибке и вытяжке
Гибка –образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы. В месте изгиба слои металла, расположенные с внутренней стороны, сжимаются, а слои металла, расположенные с наружной стороны, растягиваются в продольном направлении. Для получения требуемой точности получаемых при гибке деталей применяют устройства, прижимающие заготовку к пуансону и предотвращающие ее возможное смещение. Калибровка и прижим заготовки позволяют получать изогнутые детали 8 –11 квалитетов точности [3]. При Vобразной гибке основным определяющим размером пуансона и матрицы является их рабочий угол
,
где –требуемый угол гибки детали, град;
–угол пружинения угла после гибки, град.Радиус закругления пуансона принимают равным требуемому радиусу закругления штампуемой детали; радиус закругления матрицы .
Вытяжка –образование полой детали из плоской или полой заготовки. При вытяжке плоская заготовка вдавливается пуансоном в отверстие матрицы. Во фланце при этом возникают значительные сжимающие напряжения, которые могут вызвать образование складок. Для предотвращения этого также использую прижимы заготовки. В зависимости от вида детали пуансоны и матрицы могут быть цилиндрическими, коническими, сферическими, прямоугольными, фасонными и др. Их всегда делают с закруглением рабочих кромок, величина которых влияет на усилие вытяжки, степень деформации, образование складок и пр.[4]. Радиус закругления матрицы для заготовок из мягкой стали , для заготовок из латуни и алюминия . Зазор (на одну сторону) между пуансоном и матрицей выбирают в пределах [3].Исполнительные размеры пуансонов и матриц обычно определяют по таблицам [13], что не всегда является удобным изза обширной номенклатуры деталей, получаемых гибкой и вытяжкой, штамповочных элементов деталей самых разнообразных форм и т.д. Поэтому целесообразно упростить расчет размеров пуансонов и матриц путем введения универсальных формул для большинства формообразующих операций, прежде всего гибки и вытяжки. Исполнительные размеры рабочих деталей штампов для гибки, соответствующие заданному размеру штампуемой детали, определяем в следующей последовательности. По размерам и толщине штампуемого материала определяем размеры рабочих деталей штампов для Vобразной гибки (табл.4). Таблица 4Размеры рабочих деталей штампов для Vобразной гибки при длине полки мм
Толщина детали, ммГлубина матрицы , ммТолщина матрицы , ммДо 0,5212Св. 0,5 до 1,0419Св. 1,0 до 2,0722 –27Св. 2,0 до 3,01232 –37Св. 3,0 до 4,01535 –40Св. 4,0 до 5,01843 –48Св. 5,0 до 6,02247 –52Св. 6,0 до 7,02555 –56Св. 7,0 до 8,030 –3660 –76
Рассмотрим расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампа для гибки и вытяжки.Условные обозначения:
–номинальный наружный размер детали, мм;
–исполнительный размер рабочей полости матрицы, мм;
–номинальный внутренний размер детали, мм;
–исполнительный размер рабочей части пуансона, мм;
–верхнее и нижнее допускаемые отклонения штампуемой детали, мм;
–допуски на изготовление матрицы и пуансона, мм;
–поле допуска штампуемой детали, мм;
–припуск на износ инструмента, мм.Размеры «основных» деталей штампа следует определять по формулам, приведенным в табл.5. Допускаемые отклонения на неточность изготовления рабочих деталей () следует принимать в зависимости от допуска на размеры детали: при допуске на деталь по 11 и 12 квалитетам –
и ; при допуске на деталь по 14,15 и 16 квалитетам –по и .Таблица 5Формулы для расчета исполнительных размеров «основных» рабочих деталей штампов при гибке и вытяжке
Как заданы предельные отклонения на деталь«Основная» рабочая детальПрипуск на износ инструментаФормула
Матрица
Пуансон
Поскольку процесс пластической деформации при гибке сопровождается упругой деформацией, то по окончании гибки происходит изменение размеров изделия по сравнению с размерами, определяемыми пуансоном и матрицей. Указанное изменение размеров, называемое пружинением, должно учитываться при расчете исполнительных размеров штампа.Угол пружинения зависит от столь многих факторов, что рассчитать его точно не представляется возможным [3]. Поэтому во всех случаях требуется уточнение угла пружинения опытным путем.Следует также иметь в виду, что даже установленный опытным путем угол пружинения при штамповке одной и той же заготовки в одном и том же штампе может изменяться в зависимости от незначительных изменений свойств штампуемого материала в состоянии поставки. Еслиже гибка осуществляется с калибровкой или правкой детали, то пружинение кроме того зависит от настройки хода пресса и может дополнительно корректироваться опытным путем при установке и наладке штампа.Основными учитываемыми факторами при определении угла пружинения (при Vобразной гибке, на одну сторону при Побразной гибке) являются геометрические параметры штампа, параметры гибки и параметры свойств штампуемого материала.В работе [2] предложены упрощенные формулы, на основе которых ниже приведены следующие удобные для практических расчетов зависимости:при свободной Vобразной гибке
при свободной Побразнои гибке
где ; –коэффициенты, характеризующие свойства штампуемого материала;
–ширина рабочей полости Vобразной матрицы;
= 0,32 –0,34 –коэффициент, зависящий от толщины полосы [3];, –радиусы закругления матрицыи пуансона;
–толщина штампуемого материала;
, –предел текучести и модуль упругости штампуемого материала, МПа.Исполнительные размеры рабочих деталей штампов для вытяжки, соответствующие заданному размеру штампуемой детали, определяем в следующей последовательности. Оптимальные технологические зазоры между пуансоном и матрицей при вытяжке определяются:При первых технологических переходах
;
При завершающих переходах без последующих переходах
;
При калибровке после вытяжки
;
При вытяжке сутонением стенок
.
Значения коэффициентов , , принимаем по табл.6, a –по табл.7.Таблица 6Значения коэффициентов, ,
ПроцессКоэффициентТолщина материала, ммдо 0,6св.0,8 до 2,0св.2,0 до 4,0св.4,0Вытяжка: первый переход
0,40,30,30,20,200,150,150,10последующие переходы
0,30,20,20,150,150,100,100,05завершающий переход
0,30,20,20,150,150,100,100,05Калибровка: без утонения
0,30,20,20,100,100,050,050,0с утонением
(0,100,05)(0,100,05)0,050,02
Таблица 7Значение коэффициента
МатериалКоэффициент При первом утоненииПри последующих операцияхСталь средней твердости0,250,280,280,30Сталь низкоуглеродистая0,280,300,300,32Латунь, алюминий0,300,320,320,35Медь0,320,350,350,40
При первой вытяжке коробчатых деталей зазор между матрицей и пуансоном в углах принимаем на 5 –10% больше зазора дляпрямолинейных участков. Меньшие значения в табл.5 и 6 принимают при меньшем числе переходов и более точных работах, а также при малой степени деформации. При однооперационной вытяжке зазор рассчитывают по формуле для первого перехода вытяжки.
4. Лазернаяобработкаповерхности пуансонов и матриц
Результаты последних исследований наводят на мысль о целесообразности практического применения уникальных свойств лазерного излучения для создания новых методик обработки поверхности рабочих поверхностей штампового инструмента. Регулируя интенсивность пучка и длительность его воздействия на материал, можно проплавить поверхностный слой облучаемого сплава на заранее заданную глубину. Установлено[6], что можно использовать точную регулировку процесса плавления для измельчения структуры и для введения легирующих добавок во вновь затвердевающий слой. Таким путем можно повысить износостойкость инструмента без изменения свойств основного объема материала.Рассмотрим поверхностное плавление и легирование с помощью лазера, а также импульсную обработкуповерхности, поскольку они обладают потенциальными возможностями улучшения характеристик трещиностойкости высокопрочных сплавов. Изменения в микроструктуре, вызываемые лазерной обработкой поверхности, зависят от скорости охлаждения, которая в свою очередь зависит от интенсивности пучка и длительности облучения. Требуемая длительность реакции достигается регулировкой скорости относительного перемещения пучка и обрабатываемого объекта, а обработка большой поверхности осуществляется путем последовательного сканирования пучка по объекту. При высокой интенсивности пучка кратковременное облучение обеспечивает глубину проплавления от 1 до 400 мкм. Расплавленный слой под влиянием материала подложки подвергался очень быстрому (от до град/с) охлаждению. В режиме столь быстрого затвердевания образуется спектр структур металла, включая аморфные, метастабильные и пересыщенные фазы [6]. В режимах длительного воздействия глубина проплавления составляет 400—2000 мкм; соответственно уменьшается и скорость последующего охлаждения [6].Легирующие добавки при лазерной обработке поверхности вводятся из покрытия, нанесенного на обрабатываемый объект и содержащего требуемые элементы. Соответствующие способы изготовления покрытий включают плазменное распыление, электролитическое осаждение, ионное распыление, нанесение порошкообразного материала в органической связке. При быстром оплавлении образование гомогенной смеси из покрытия и подложки обеспечивается механизмом смешения [6] в слабо оформленной расплавленной ванне, причем диффузия в этих условиях играет незначительную роль. Принято считать, что при более длительном воздействии на образование гомогенной смеси влияют и конвекционное перемешивание в расплавленной ванне, и диффузия. В режиме длительного воздействия на поверхности подложки можно получить сравнительно толстое покрытие [6]путем последовательного расплавления. С помощью такой технологии можно получить накладку на подложке, имеющей более низкую температуру плавления.Пример поверхностного легирования посредством лазерной обработки в режиме быстрого охлаждения приведен в работе [6]. В этом случае 8мкм слой хромового покрытия, полученного ионным распылением, был превращен путем лазерного оплавления (Вт/см2в течение примерно 50 мкс) в 50мкм слой сплава на подложке из инструментальной стали У10А. Под сплавным слоем располагается отчетливо зона термического влияния. С ними контактирует покрытие, полученное ионным распылением. Концентрацию сплава можно регулировать, изменяя такие параметры, как толщина наносимого слоя, интенсивность лазерного пучка и длительность его взаимодействия с материалом. При варьировании режималазерной обработки удалось получить тройные поверхностные слои (например, состоящие из слоев Ni, Сг и Fe).Несмотря на множество сообщений об исследовании лазерной обработки поверхности, оценка свойств обработанного слоя, за исключением немногих случаев, ограничена металлографическим анализом и измерениями микротвердости. Наиболее характерным примером потенциальных возможностей лазерной обработки поверхности является использование лазерного расплава для улучшения качества поверхностного слоя у инструментальной стали У8А[4], которая имеет склонность к избирательной коррозии. Подбирая скоростьохлаждения таким образом, чтобы избежать образования вредных выделений карбидной фазы по границам зерен, путем лазерной обработки удается подавить склонность этой стали к межзеренной коррозии и значительно повысить сопротивление коррозионному растрескиванию под нагрузкой.Однако, как показывают испытания, после такой обработки сохраняются остаточные напряжения, возникшие изза неравномерного охвата поверхности и содействующие появлению трещин под высокой нагрузкой. В целом влияние остаточных напряжений на склонность к образованию трещин у инструментальных легированных сталей после поверхностной лазерной обработки остается пока что практически не изученным.Металлографические исследования различных инструментальных сталейпосле быстрого поверхностного оплавления с помощью лазерного луча свидетельствуют о перспективности этой обработки как средства уменьшить образование трещин материалов, хотя результаты измерений этих характеристик пока что отсутствуют[6]. Другая разновидность метода поверхностной обработки, обеспечивающей склонность к уменьшению образованиятрещин инструментальных сталей, связана с ударным (импульсным) воздействием лазерным лучом. Действие на облучаемый материал высокоинтенсивного лазерного импульса (обычно 10 Вт/см2при продолжительности импульса от 20 до 70 мкс) порождает распространяющиеся внутри материала волны напряжения [6]. Такая реакция вызвана чрезвычайно быстрым испарением облучаемого материала, последующим расширением нагретого испарившегося материала и давлением его на поверхность облучаемой мишени. В сравнении с величиной и скоростью ударных волн, генерируемых метаемой пластинкой), волну напряжения, генерируемую лазерным импульсом, следует классифицировать как слабый удар с пиковым давлением обычно меньше 1 кбар. Напряжение, создаваемое лазерным импульсом, можно усилить до уровня высоких давлений с помощью непрозрачных и прозрачных накладок, размещенных на поверхности мишени. Преимуществомударного лазерного упрочнения по сравнению с другими методами ударного упрочнения или обычного наклепаявляется высокая скорость обработки. Указанные результаты свидетельствуют о том, что импульсная лазерная обработка позволяет улучшать характеристики усталости и прочности материалов, используемых в высоконагруженных узлах штампов, таких, как пуансоны и матрицы.Несмотря на немногочисленность полученных экспериментальных данных, можно сделать вывод, что поверхностная лазерная обработка, обеспечивающая оплавление, легирование и ударное упрочнение, представляет собой новое средство, позволяющее нетолько повысить характеристики трещиностойкости инструментальных сплавов, но также улучшить ряд других свойств, зависящих от состояния поверхности, в частности сопротивление износу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенная методика расчета исполнительных размеров пуансонов и матриц разделительных и формообразующих позволяет получать высокоточные изделия при холодной листовой штамповке, что позволяет повысить качество деталей, применяемых в автомобильной промышленности.Обработка поверхностей пуансонов и матриц с целью улучшения эксплуатационных свойств материалов обладает широкими возможностями. В настоящее время методы анализа поверхности развиты до такой степени, что можно, определив взаимосвязи между обработкой, структурой, свойствами, выбрать наилучший способ обработкиповерхности с учетом материала подложки, наносимого материала, параметров процесса обработки, экономичности и воздействий на окружение. Новые методы, такие, как лазерная обработка поверхности, ионная имплантация и ионное распыление, представляют новые возможности для улучшения свойств поверхности материалов, и их следует применять в первую очередь для наиболее дорогих и дефицитных деталей штампов.
Ссылки на источники 1.Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка/Под общ. ред. Л. И. Рудмана. –М.: Машиностроение, 1988. –406 с.2.Шапарев, А.В. Расчет совместной пластической деформации, необходимой для образования соединения металлов в холодном состоянии/А.В. Шапарев,И.А. Савин//Заготовительные производства в машиностроении. 2016. № 10. С. 3236.3.Shaparev, A., Savin, I. Calculation of the Amount of the Reduction Required for the Formation of Compound Layers during Cold Rolling of Bimetals. (2016) Materials Science Forum, Vol. 870, pp. 328333DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.870.3284.Ковка и штамповка: Справочник: Т.4. Листовая штамповка/Под ред. А.Д.Матвеева. –М.: Машиностроение, 1985. –544 с.5.Шапарев, А.В.,Савин, И.А.Совершенствование технологии производства биметаллических лент. Курск: Университетская книга, 2015. 241 с.
6.Шапарев, А.В. Повышение эффективности технологии холодной штамповки при изготовлении детали «хомут»/ Шапарев А.В., Миназов Р.М., Савина А.И.// В сборнике:Техника и технологии: пути инновационного развития. Курск, 2015. С. 212214.7.Шапарев А.В., Савина А.И. Технологическое и экономическое сравнение резки материалов плазмой и СО2лазерами// Наука и современность. 2016 №3(9) с.181189DOI: 10.17117/ns.2016.03.1818.Скворцов Г.Д. Основы конструирования штампов для холодной листовой штамповки. –М.: Машиностроение, 1972. –360 с.9.Методы поверхностной лазерной обработки/Под ред. А.Г.Григорьянца. –М.: Высшая школа, 1987. –191 с.10.Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. –Л.: Машиностроение, 1979. –520 с.11.Обработка поверхности и надежность материалов. Пер. с англ./Под ред. Д.Бурке, Ф.Вайса. –М.: Мир, 1985. –192 с.12.Могилевец В.Д., Савин И.А. Применение лазерных технологий очистки, наплавки, термообработки ковочных штампов// Компетентность. М., 2016. № 5 (136). С. 4355 13.Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Исследование механизма разрушения прессформ с защитным покрытием для литья под давлением цинковых сплавов//Заготовительные производства в машиностроении. М. 2016. №8. С.3814.Савин, И. А. Вопросы выбора материала режущей части инструмента при проектировании обработки резанием/И. А. Савин//Современная техника и технологии. 2015. № С. 6771. URL:http://technology.snauka.ru/?p=558915.Неделькина Е.Д., Фаткуллина Э.Д., Шапарев А.В. . Технологические режимы производства биметаллических полос способом холодного плакирования//Техника и технологии машиностроения/ материалы V МНПК.: Омск. 2016 с.22122416.Фахриев Р.Р., Шапарев А.В. Особенности производства биметаллических полос сталь+ бронза БРОФ 6,50,15 способом холодного плакирования//Техника и технологии машиностроения/ материалы V МНПК.: Омск. 2016 с.366371
Дзеник Александр Дмитриевичстудент кафедры конструирования и технологии машиностроительных производств ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.ТуполеваКАИ», г. Набережные Челныsashadzenic@mail.ru
Совершенствование проектирования и изготовления пуансонов и матриц
Аннотация.Статья посвящена совершенствованию проектирования и изготовления пуансонов и матриц для штампов холодной листовой штамповки. Приведена методика расчета исполнительных размеров пуансонов и матриц для разделительных и формообразующих операций, а также показана возможность использования лазерной обработки и ионной имплантацииповерхности пуансонов и матриц для повышения износостойкости.Ключевые слова: холодная штамповка,пуансон, матрица, исполнительные размеры, лазерная обработка, ионная имплантация.
Качество проектирования и точность обработки поверхностного слоя пуансонов и матриц имеет большое значение для производства качественных деталей способом холодной листовой штамповки. Поверхностный слой почти любого материала, используемого в настоящее время, отличается от основного материала. Во многих случаях этот поверхностный слой благотворно влияет на длительность эксплуатации изделия. Такая комбинация поверхностьобъем может рассматриваться как композит, одним из компонентов которого является поверхностный слой, включающий в себя как естественно образующиеся оксидные пленки, которые защищают некоторые материалы (например, алюминий, титан, нержавеющую сталь), так и микродобавки легирующих элементов, вводимые для получения особых заданных свойств.
Важными характеристиками поверхностей являются:1) особые свойства материала покрытия, зависящие от состава и микроструктуры; 2) взаимодействие между покрытием и подложкой; 3) адгезионные характеристики покрытия —наиболее важные, поскольку можно и не получить заданных свойств материала без прочной связи между покрытием и подложкой.На свойства поверхности влияют следующие явления: коррозия в газовой фазе и водных растворах, износ, катализ, сварка и пайка, эрозия, влияние ингибиторов, пассивация, адгезия, спекание и абляция. Это явление необходимо учитывать практически в любом случае обработки поверхности.В современных условиях проектирование и изготовление пуансонов и матриц должно производиться в следующей последовательности:1. Определение размеров пуансона и матрицы штампов холодной листовой штамповки для разделительных операций;2. Расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампов при гибкеи вытяжке;3. Дополнительная обработка поверхности с целью повышения износостойкости пуансонов и матриц.1. Обзор дополнительных методов обработки поверхностей для улучшения свойств
Многие виды обработки поверхности осуществимы в промышленных масштабах и обеспечивают изменение в широком диапазоне таких свойств, как механические, химические, магнитные, электронные и др.Методы обработки поверхности можно классифицировать согласно следующей схеме:1) механические методы (дробеструйный наклеп, ударное упрочнение, поверхностный наклеп); 2) методы физикохимической модификации материала (ионная имплантация, ионные азотирование и цементация); 3) методы лазерной обработки поверхностей материалов, позволяющие получать поверхностные слои с составом и микроструктурой, отличными от состава и микроструктуры материала подложки.Некоторые новые методы обработки поверхности должны найти широкое применение при обработке деталей штампов, прежде всего пуансонов и матриц. Кним относятся лазерная обработка поверхности, обработка электронными пучками, ионная имплантация и ионное осаждение. Лазерная обработка поверхности заключается в быстром сканировании поверхности непрерывным или пульсирующим лазерным лучом [4]. Высокоэнергетический лазерный луч вызывает локальное оплавление тонкого поверхностного слоя, тогда как лежащие глубже слои материала остаются холодными. При этом расплавленный поверхностный слой подвергается быстрой закалке изза плотного контакта с массой холодного материала на границе раздела. При лазерной обработке никелевых сплавов вычисленные скорости охлаждения в слоях толщиной 103 мм составляют —
град/с. Возможно применение лазерной обработки поверхностей для повышения стойкости материалов против износа, коррозии, эрозии и усталости.При очень высоких плотностях энергии (порядка Вт/см2), достижимых при импульсных режимах работы лазеров, происходит почти мгновенное испарение поверхностного слоя. При длительности импульса секундвзаимодействие ограничивается поверхностным слоем, и быстрое расширение испаренного металла дает эффект ударной волны. Ударная волна, распространяясь, отражается внутри подложки, вызывая упрочнение поверхности. При этом лазер обеспечивает точный контроль подводимой энергии и высокую воспроизводимость результатов[6]. Для фазового упрочнения при нагреве такого же по глубине слоя без его оплавления требуется меньшая энергия. Несколько большие величины энергии вызывают оплавление тонкого поверхностного слоя и применяются при поверхностном легировании. Cкорости охлаждения поверхностных слоев порядка град/с легко достижимы, поэтому в поверхностных слоях можно формировать ультрамикрокристаллические структуры.Ионная имплантация в настоящее время привлекает большое внимание изза ее возможностей повышения износостойкости поверхностных слоев материала[6]. Проводится имплантация различных частиц, что в ряде случаев благотворно влияет на свойства подложки и ее характеристики. Важно подчеркнуть, что ионная имплантация –это не метод нанесения покрытия; атомы исходного материала всегда составляют основу слоя, подвергнутого имплантации. В этом методе ионные частицы имплантируются в поверхность без наращивания какоголибо дополнительного слоя. Ионная имплантация отличается также и от диффузионных процессов, таких, как науглероживание и азотирование, которые тоже связаны с введением инородных частиц в поверхностные слои, но ограничены диффузионным механизмом или пределами растворимости до нескольких примесей внедрения (в отличие от ионной имплантации). Ионная имплантация имеет большие перспективы в технологии обработки металлов при разработке новых материалов для инструмента и изучении влияния метастабильности на свойства материалов.
2. Определение размеров пуансона и матрицы штампов холодной листовой штамповки для разделительных операций
К разделительным операциям холодной листовой штамповки относятся вырубка, пробивка, отрезка, разрезка, обрезка, надрезка, проколка, зачистка. Подробное описание и технологические расчеты разделительных операций приведено в работах Л.И.Рудмана [1], А.Д.Матвеева [2], Г.Д.Скворцова [3] и других авторов. Важнейшей задачей при выполнении технологических расчетов разделительных операций холодной листовой штамповки является расчет исполнительных размеров инструмента –матриц и пуансонов. Рабочие детали штампов для разделительных операций (вырубки и пробивки) изготавливают совместно и раздельно [1]. При совместном изготовлении одна из рабочих деталей дорабатывается по другой, т.е. при вырубке пуансон по матрице (матрица определяет размер штампуемого элемента и является «основной», а при пробивке –матрица по пуансону (пуансон определяет размер отверстия и является «основной» деталью) . При раздельном изготовлении пуансонов и матриц, когда они обрабатываются до окончательных размеров без взаимного согласования, точность расчета исполнительных размеров имеют решающее значение. В противном случае пуансоны и матрицы окажутся просто непригодны к работе, т.к. не смогут обеспечить необходимую точность штампуемых деталей. Исполнительные размеры пуансонов и матриц обычно определяют по таблицам [13], что не всегда является удобным изза обширной номенклатуры деталей, получаемых вырубкой и пробивкой, штамповочных элементов деталей самых разнообразных форм и т.д. Поэтому целесообразно упростить расчет размеров пуансонов и матриц путем введения универсальных формул для большинства разделительных операций, в т.ч. вырубки и пробивки. Исполнительные размеры рабочих деталей (штампов для вырубки и пробивки), соответствующие заданному размеру штампуемой детали, определяем в следующей последовательности. По марке и толщине штампуемого материала определяем зазор между пуансоном и матрицей (табл.1, где –наименьший допустимый двухсторонний зазор, мм); –предельное отклонение в сторону увеличения двухстороннего зазора, мм).Приближенно зазор между пуансоном и матрицей для большинства деформируемых сталей и цветных металлов можно определить следующим образом:1)при толщине материала зазор равен (4 –6)% от толщины листа;2)при толщине материала зазор равен (6 10)% от толщины листа.Исполнительные размеры матриц и пуансонов определяются исходя из того, что при вырезке в штампах отделившаяся часть имеет диаметр матрицы, а образовавшееся отверстие диаметр пуансона.Следовательно, если размер изделия по наружному контуру обозначить , а по внутреннему , то при оптимальных величинах зазоров можно принять:1)размер вырубаемого контура равен размеру матрицы ;2)размер пробиваемого отверстия равен размеру пуансона .Исполнительные размеры матриц и пуансона определяют с учетом их износа при работе, исходя из полей допусков сопряженных элементов штампа.Таблица 1Двухсторонние зазоры между матрицей и пуансоном в штампах для разделительных операций
Толщина материала , ммНизкоуглеродистая сталь, медь, латунь, алюминий=200–360Н/мм2Среднеуглеродистая сталь, дюралюминий, бронза=360–520 Н/мм2Высокоуглеродистая сталь, трансформаторная сталь> 520 МПа0
0,10,005
0,006
0,007
0,20,010+0,0100,012+0,0100,014+0,0100,30,0150,0180,0210,40,0200,0240,0280,50,0250,0300,0350,60,030+0,0200,036+0,0200,042+0,0200,70,0350,0420,0490,80,0400,0480,0560,90,0450,0540,0631,00,0500,0600,0701,20,070+0,0300,080+0,0300,100+0,0301,50,0900,1100,1201,80,110+0,0500,130+0,0500,140+0,0502,00,1200,1400,1602,20,1600,1800,2002,50,1800,2000,2302,80,2000,2200,2503.00,210+0,1000,240+0,1000,270+0,1003.50,2800,3200,3504.00,3200,3600,4004.50,3600,4500,5405.00,4000,5000,600
Приближенно зазор между пуансоном и матрицей для большинства деформируемых сталей и цветных металлов можно определить следующим образом:3)при толщине материала зазор равен (4 –6)% от толщины листа;
4)при толщине материала зазор равен (6 10)% от толщины листа.Исполнительные размеры матриц и пуансонов определяются исходя из того, что при вырезке в штампах отделившаяся часть имеет диаметр матрицы, а образовавшееся отверстие диаметр пуансона.Следовательно, если размер изделия по наружному контуру обозначить , а по внутреннему , то при оптимальных величинах зазоров можно принять:3)размер вырубаемого контура равен размеру матрицы ;4)размер пробиваемого отверстия равен размеру пуансона .Исполнительные размеры матриц и пуансона определяют с учетом их износа при работе, исходя из полей допусков сопряженных элементов штампа.При образовании наружного контура (рис.1) допуск на вырабатываемый контур детали обычно дается в тело, так что номинальный размер контура –это наибольший размер контура детали.
Поле допуска на изготовление матрицы дается в тело и располагается внутри детали. При этом край допускане совпадает с краем поля допуска , так как допуск на инструмент на 1 –2 квалитета выше, чем допуск на деталь. Этим гарантируется минимальный припуск на износ матрицы.
Рис.1. Взаимное расположение полей допусков на детальи инструмент при вырубке наружного контура
Рассмотрим расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампа при разделительных операциях.
Условные обозначения:
–номинальный размер контура детали, получаемой вырубкой или отрезкой, мм;
–исполнительный размер рабочего окна матрицы вырубного штампа, мм;
–номинальный размер отверстия в штампуемой детали (размер любого по конфигурации отверстия), мм;
–исполнительный размер рабочей части пуансона пробивного штампа, мм;
–верхнее и нижнее допускаемые отклонения штампуемой детали, мм;
–допуск на изготовление соответственно матрицы и пуансона, мм;
–поле допуска штампуемой детали (на наружный и внутренний контуры), мм;
–припуск на износ инструмента (матрицы или пуансона),мм.При штамповке деталей, изготовляемых с предельными отклонениями по 11 –12 квалитетам точности, припуск на износ рабочих частей принимают , а по 6 –9 квалитетам .Допуски на неточность изготовления рабочих контуров при вырубке и пробивке следует принимать по таблице 2 в зависимости от величины режущего зазора и номинального диаметра детали.При вырубке детали ее размеры определяет матрица, поэтому при расчете исполнительных размеров режущих кромок за основу принимают матрицу, а размеры режущих кромок пуансона подсчитываются зависимости от размеров матрицы и технологического зазора. При пробивке отверстия размеры последнего определяются размером пуансона, поэтому при расчетах исполнительных размеров рабочих частей за основу принимается пуансон (рис.2). Исполнительные размеры рабочих контуров «основных» деталей штампа следует определять в соответствии с допускаемыми отклонениями размеров изделия по формулам из таблицы 3.
Таблица 2Допуски на неточность изготовления рабочих деталей штампа, мм
Предельное отклонение размеров штампуемой детали Припуск на износ рабочих деталей штампа Предельное отклонение размеров рабочих деталей при их совместном изготовленииматрицы пуансона 0,0200,0200,0060,0040,0250,0250,0080,0050,0300,0300,0090,0060,0350,0350,0110.0080,0400,0400,0110,008\
Рис.2. Взаимное расположение полей допусков на детальи инструмент при пробивке отверстия
Исполнительные размеры матрицы и пуансона при односторонней отрезке определяются конструктивно. Обычно зазор между матрицей и пуансоном принимается равным половине двухстороннего зазора, рассчитанного по формулам из табл. 3. Однако при этом для обеспечения хорошего качества поверхности среза, а также отсутствия изгиба отрезаемой и исходной заготовки необходимо обеспечить их надежный прижим, определяемый из условия равенства моментов по формулам [1]
; ,
где , –усилие прижима заготовки и отрезаемой части, Н;
–усилие резки, Н;
, –длина зоны прижима заготовки и отрезаемой части, мм.
Таблица 3Формулы для расчета исполнительнее размеров «основных» рабочих деталей разделительных штампов
Как задан допуск на штампуемую деталь«Основная» рабочая деталь штампаФормулы при
Матрица
Пуансон
Пример расчета.Из листовой латуни при = 350 Н/мм2толщиной 0,5 мм вырубается круглая деталь диаметром . Определить исполнительные размеры рабочего отверстия матрицы и соответствующий диаметр пуансона.Решение: 1. Деталь ограничена допуском по 11 квалитету, поэтому допуск на износ рабочих частей принимаем , а допуск на изготовление по и . «Основной» рабочей деталью является матрица.2. Размер рабочего отверстия матрицы
мм.
3. Исполнительный размер пунсона
.
Для латуни толщиной 0,5 мм минимальный зазор на диаметр равен 0,060 мм, следовательно мм.
3. Расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампов при гибке и вытяжке
Гибка –образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы. В месте изгиба слои металла, расположенные с внутренней стороны, сжимаются, а слои металла, расположенные с наружной стороны, растягиваются в продольном направлении. Для получения требуемой точности получаемых при гибке деталей применяют устройства, прижимающие заготовку к пуансону и предотвращающие ее возможное смещение. Калибровка и прижим заготовки позволяют получать изогнутые детали 8 –11 квалитетов точности [3]. При Vобразной гибке основным определяющим размером пуансона и матрицы является их рабочий угол
,
где –требуемый угол гибки детали, град;
–угол пружинения угла после гибки, град.Радиус закругления пуансона принимают равным требуемому радиусу закругления штампуемой детали; радиус закругления матрицы .
Вытяжка –образование полой детали из плоской или полой заготовки. При вытяжке плоская заготовка вдавливается пуансоном в отверстие матрицы. Во фланце при этом возникают значительные сжимающие напряжения, которые могут вызвать образование складок. Для предотвращения этого также использую прижимы заготовки. В зависимости от вида детали пуансоны и матрицы могут быть цилиндрическими, коническими, сферическими, прямоугольными, фасонными и др. Их всегда делают с закруглением рабочих кромок, величина которых влияет на усилие вытяжки, степень деформации, образование складок и пр.[4]. Радиус закругления матрицы для заготовок из мягкой стали , для заготовок из латуни и алюминия . Зазор (на одну сторону) между пуансоном и матрицей выбирают в пределах [3].Исполнительные размеры пуансонов и матриц обычно определяют по таблицам [13], что не всегда является удобным изза обширной номенклатуры деталей, получаемых гибкой и вытяжкой, штамповочных элементов деталей самых разнообразных форм и т.д. Поэтому целесообразно упростить расчет размеров пуансонов и матриц путем введения универсальных формул для большинства формообразующих операций, прежде всего гибки и вытяжки. Исполнительные размеры рабочих деталей штампов для гибки, соответствующие заданному размеру штампуемой детали, определяем в следующей последовательности. По размерам и толщине штампуемого материала определяем размеры рабочих деталей штампов для Vобразной гибки (табл.4). Таблица 4Размеры рабочих деталей штампов для Vобразной гибки при длине полки мм
Толщина детали, ммГлубина матрицы , ммТолщина матрицы , ммДо 0,5212Св. 0,5 до 1,0419Св. 1,0 до 2,0722 –27Св. 2,0 до 3,01232 –37Св. 3,0 до 4,01535 –40Св. 4,0 до 5,01843 –48Св. 5,0 до 6,02247 –52Св. 6,0 до 7,02555 –56Св. 7,0 до 8,030 –3660 –76
Рассмотрим расчет предельных отклонений на изготовление рабочих частей штампа для гибки и вытяжки.Условные обозначения:
–номинальный наружный размер детали, мм;
–исполнительный размер рабочей полости матрицы, мм;
–номинальный внутренний размер детали, мм;
–исполнительный размер рабочей части пуансона, мм;
–верхнее и нижнее допускаемые отклонения штампуемой детали, мм;
–допуски на изготовление матрицы и пуансона, мм;
–поле допуска штампуемой детали, мм;
–припуск на износ инструмента, мм.Размеры «основных» деталей штампа следует определять по формулам, приведенным в табл.5. Допускаемые отклонения на неточность изготовления рабочих деталей () следует принимать в зависимости от допуска на размеры детали: при допуске на деталь по 11 и 12 квалитетам –
и ; при допуске на деталь по 14,15 и 16 квалитетам –по и .Таблица 5Формулы для расчета исполнительных размеров «основных» рабочих деталей штампов при гибке и вытяжке
Как заданы предельные отклонения на деталь«Основная» рабочая детальПрипуск на износ инструментаФормула
Матрица
Пуансон
Поскольку процесс пластической деформации при гибке сопровождается упругой деформацией, то по окончании гибки происходит изменение размеров изделия по сравнению с размерами, определяемыми пуансоном и матрицей. Указанное изменение размеров, называемое пружинением, должно учитываться при расчете исполнительных размеров штампа.Угол пружинения зависит от столь многих факторов, что рассчитать его точно не представляется возможным [3]. Поэтому во всех случаях требуется уточнение угла пружинения опытным путем.Следует также иметь в виду, что даже установленный опытным путем угол пружинения при штамповке одной и той же заготовки в одном и том же штампе может изменяться в зависимости от незначительных изменений свойств штампуемого материала в состоянии поставки. Еслиже гибка осуществляется с калибровкой или правкой детали, то пружинение кроме того зависит от настройки хода пресса и может дополнительно корректироваться опытным путем при установке и наладке штампа.Основными учитываемыми факторами при определении угла пружинения (при Vобразной гибке, на одну сторону при Побразной гибке) являются геометрические параметры штампа, параметры гибки и параметры свойств штампуемого материала.В работе [2] предложены упрощенные формулы, на основе которых ниже приведены следующие удобные для практических расчетов зависимости:при свободной Vобразной гибке
при свободной Побразнои гибке
где ; –коэффициенты, характеризующие свойства штампуемого материала;
–ширина рабочей полости Vобразной матрицы;
= 0,32 –0,34 –коэффициент, зависящий от толщины полосы [3];, –радиусы закругления матрицыи пуансона;
–толщина штампуемого материала;
, –предел текучести и модуль упругости штампуемого материала, МПа.Исполнительные размеры рабочих деталей штампов для вытяжки, соответствующие заданному размеру штампуемой детали, определяем в следующей последовательности. Оптимальные технологические зазоры между пуансоном и матрицей при вытяжке определяются:При первых технологических переходах
;
При завершающих переходах без последующих переходах
;
При калибровке после вытяжки
;
При вытяжке сутонением стенок
.
Значения коэффициентов , , принимаем по табл.6, a –по табл.7.Таблица 6Значения коэффициентов, ,
ПроцессКоэффициентТолщина материала, ммдо 0,6св.0,8 до 2,0св.2,0 до 4,0св.4,0Вытяжка: первый переход
0,40,30,30,20,200,150,150,10последующие переходы
0,30,20,20,150,150,100,100,05завершающий переход
0,30,20,20,150,150,100,100,05Калибровка: без утонения
0,30,20,20,100,100,050,050,0с утонением
(0,100,05)(0,100,05)0,050,02
Таблица 7Значение коэффициента
МатериалКоэффициент При первом утоненииПри последующих операцияхСталь средней твердости0,250,280,280,30Сталь низкоуглеродистая0,280,300,300,32Латунь, алюминий0,300,320,320,35Медь0,320,350,350,40
При первой вытяжке коробчатых деталей зазор между матрицей и пуансоном в углах принимаем на 5 –10% больше зазора дляпрямолинейных участков. Меньшие значения в табл.5 и 6 принимают при меньшем числе переходов и более точных работах, а также при малой степени деформации. При однооперационной вытяжке зазор рассчитывают по формуле для первого перехода вытяжки.
4. Лазернаяобработкаповерхности пуансонов и матриц
Результаты последних исследований наводят на мысль о целесообразности практического применения уникальных свойств лазерного излучения для создания новых методик обработки поверхности рабочих поверхностей штампового инструмента. Регулируя интенсивность пучка и длительность его воздействия на материал, можно проплавить поверхностный слой облучаемого сплава на заранее заданную глубину. Установлено[6], что можно использовать точную регулировку процесса плавления для измельчения структуры и для введения легирующих добавок во вновь затвердевающий слой. Таким путем можно повысить износостойкость инструмента без изменения свойств основного объема материала.Рассмотрим поверхностное плавление и легирование с помощью лазера, а также импульсную обработкуповерхности, поскольку они обладают потенциальными возможностями улучшения характеристик трещиностойкости высокопрочных сплавов. Изменения в микроструктуре, вызываемые лазерной обработкой поверхности, зависят от скорости охлаждения, которая в свою очередь зависит от интенсивности пучка и длительности облучения. Требуемая длительность реакции достигается регулировкой скорости относительного перемещения пучка и обрабатываемого объекта, а обработка большой поверхности осуществляется путем последовательного сканирования пучка по объекту. При высокой интенсивности пучка кратковременное облучение обеспечивает глубину проплавления от 1 до 400 мкм. Расплавленный слой под влиянием материала подложки подвергался очень быстрому (от до град/с) охлаждению. В режиме столь быстрого затвердевания образуется спектр структур металла, включая аморфные, метастабильные и пересыщенные фазы [6]. В режимах длительного воздействия глубина проплавления составляет 400—2000 мкм; соответственно уменьшается и скорость последующего охлаждения [6].Легирующие добавки при лазерной обработке поверхности вводятся из покрытия, нанесенного на обрабатываемый объект и содержащего требуемые элементы. Соответствующие способы изготовления покрытий включают плазменное распыление, электролитическое осаждение, ионное распыление, нанесение порошкообразного материала в органической связке. При быстром оплавлении образование гомогенной смеси из покрытия и подложки обеспечивается механизмом смешения [6] в слабо оформленной расплавленной ванне, причем диффузия в этих условиях играет незначительную роль. Принято считать, что при более длительном воздействии на образование гомогенной смеси влияют и конвекционное перемешивание в расплавленной ванне, и диффузия. В режиме длительного воздействия на поверхности подложки можно получить сравнительно толстое покрытие [6]путем последовательного расплавления. С помощью такой технологии можно получить накладку на подложке, имеющей более низкую температуру плавления.Пример поверхностного легирования посредством лазерной обработки в режиме быстрого охлаждения приведен в работе [6]. В этом случае 8мкм слой хромового покрытия, полученного ионным распылением, был превращен путем лазерного оплавления (Вт/см2в течение примерно 50 мкс) в 50мкм слой сплава на подложке из инструментальной стали У10А. Под сплавным слоем располагается отчетливо зона термического влияния. С ними контактирует покрытие, полученное ионным распылением. Концентрацию сплава можно регулировать, изменяя такие параметры, как толщина наносимого слоя, интенсивность лазерного пучка и длительность его взаимодействия с материалом. При варьировании режималазерной обработки удалось получить тройные поверхностные слои (например, состоящие из слоев Ni, Сг и Fe).Несмотря на множество сообщений об исследовании лазерной обработки поверхности, оценка свойств обработанного слоя, за исключением немногих случаев, ограничена металлографическим анализом и измерениями микротвердости. Наиболее характерным примером потенциальных возможностей лазерной обработки поверхности является использование лазерного расплава для улучшения качества поверхностного слоя у инструментальной стали У8А[4], которая имеет склонность к избирательной коррозии. Подбирая скоростьохлаждения таким образом, чтобы избежать образования вредных выделений карбидной фазы по границам зерен, путем лазерной обработки удается подавить склонность этой стали к межзеренной коррозии и значительно повысить сопротивление коррозионному растрескиванию под нагрузкой.Однако, как показывают испытания, после такой обработки сохраняются остаточные напряжения, возникшие изза неравномерного охвата поверхности и содействующие появлению трещин под высокой нагрузкой. В целом влияние остаточных напряжений на склонность к образованию трещин у инструментальных легированных сталей после поверхностной лазерной обработки остается пока что практически не изученным.Металлографические исследования различных инструментальных сталейпосле быстрого поверхностного оплавления с помощью лазерного луча свидетельствуют о перспективности этой обработки как средства уменьшить образование трещин материалов, хотя результаты измерений этих характеристик пока что отсутствуют[6]. Другая разновидность метода поверхностной обработки, обеспечивающей склонность к уменьшению образованиятрещин инструментальных сталей, связана с ударным (импульсным) воздействием лазерным лучом. Действие на облучаемый материал высокоинтенсивного лазерного импульса (обычно 10 Вт/см2при продолжительности импульса от 20 до 70 мкс) порождает распространяющиеся внутри материала волны напряжения [6]. Такая реакция вызвана чрезвычайно быстрым испарением облучаемого материала, последующим расширением нагретого испарившегося материала и давлением его на поверхность облучаемой мишени. В сравнении с величиной и скоростью ударных волн, генерируемых метаемой пластинкой), волну напряжения, генерируемую лазерным импульсом, следует классифицировать как слабый удар с пиковым давлением обычно меньше 1 кбар. Напряжение, создаваемое лазерным импульсом, можно усилить до уровня высоких давлений с помощью непрозрачных и прозрачных накладок, размещенных на поверхности мишени. Преимуществомударного лазерного упрочнения по сравнению с другими методами ударного упрочнения или обычного наклепаявляется высокая скорость обработки. Указанные результаты свидетельствуют о том, что импульсная лазерная обработка позволяет улучшать характеристики усталости и прочности материалов, используемых в высоконагруженных узлах штампов, таких, как пуансоны и матрицы.Несмотря на немногочисленность полученных экспериментальных данных, можно сделать вывод, что поверхностная лазерная обработка, обеспечивающая оплавление, легирование и ударное упрочнение, представляет собой новое средство, позволяющее нетолько повысить характеристики трещиностойкости инструментальных сплавов, но также улучшить ряд других свойств, зависящих от состояния поверхности, в частности сопротивление износу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенная методика расчета исполнительных размеров пуансонов и матриц разделительных и формообразующих позволяет получать высокоточные изделия при холодной листовой штамповке, что позволяет повысить качество деталей, применяемых в автомобильной промышленности.Обработка поверхностей пуансонов и матриц с целью улучшения эксплуатационных свойств материалов обладает широкими возможностями. В настоящее время методы анализа поверхности развиты до такой степени, что можно, определив взаимосвязи между обработкой, структурой, свойствами, выбрать наилучший способ обработкиповерхности с учетом материала подложки, наносимого материала, параметров процесса обработки, экономичности и воздействий на окружение. Новые методы, такие, как лазерная обработка поверхности, ионная имплантация и ионное распыление, представляют новые возможности для улучшения свойств поверхности материалов, и их следует применять в первую очередь для наиболее дорогих и дефицитных деталей штампов.
Ссылки на источники 1.Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка/Под общ. ред. Л. И. Рудмана. –М.: Машиностроение, 1988. –406 с.2.Шапарев, А.В. Расчет совместной пластической деформации, необходимой для образования соединения металлов в холодном состоянии/А.В. Шапарев,И.А. Савин//Заготовительные производства в машиностроении. 2016. № 10. С. 3236.3.Shaparev, A., Savin, I. Calculation of the Amount of the Reduction Required for the Formation of Compound Layers during Cold Rolling of Bimetals. (2016) Materials Science Forum, Vol. 870, pp. 328333DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.870.3284.Ковка и штамповка: Справочник: Т.4. Листовая штамповка/Под ред. А.Д.Матвеева. –М.: Машиностроение, 1985. –544 с.5.Шапарев, А.В.,Савин, И.А.Совершенствование технологии производства биметаллических лент. Курск: Университетская книга, 2015. 241 с.
6.Шапарев, А.В. Повышение эффективности технологии холодной штамповки при изготовлении детали «хомут»/ Шапарев А.В., Миназов Р.М., Савина А.И.// В сборнике:Техника и технологии: пути инновационного развития. Курск, 2015. С. 212214.7.Шапарев А.В., Савина А.И. Технологическое и экономическое сравнение резки материалов плазмой и СО2лазерами// Наука и современность. 2016 №3(9) с.181189DOI: 10.17117/ns.2016.03.1818.Скворцов Г.Д. Основы конструирования штампов для холодной листовой штамповки. –М.: Машиностроение, 1972. –360 с.9.Методы поверхностной лазерной обработки/Под ред. А.Г.Григорьянца. –М.: Высшая школа, 1987. –191 с.10.Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. –Л.: Машиностроение, 1979. –520 с.11.Обработка поверхности и надежность материалов. Пер. с англ./Под ред. Д.Бурке, Ф.Вайса. –М.: Мир, 1985. –192 с.12.Могилевец В.Д., Савин И.А. Применение лазерных технологий очистки, наплавки, термообработки ковочных штампов// Компетентность. М., 2016. № 5 (136). С. 4355 13.Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Исследование механизма разрушения прессформ с защитным покрытием для литья под давлением цинковых сплавов//Заготовительные производства в машиностроении. М. 2016. №8. С.3814.Савин, И. А. Вопросы выбора материала режущей части инструмента при проектировании обработки резанием/И. А. Савин//Современная техника и технологии. 2015. № С. 6771. URL:http://technology.snauka.ru/?p=558915.Неделькина Е.Д., Фаткуллина Э.Д., Шапарев А.В. . Технологические режимы производства биметаллических полос способом холодного плакирования//Техника и технологии машиностроения/ материалы V МНПК.: Омск. 2016 с.22122416.Фахриев Р.Р., Шапарев А.В. Особенности производства биметаллических полос сталь+ бронза БРОФ 6,50,15 способом холодного плакирования//Техника и технологии машиностроения/ материалы V МНПК.: Омск. 2016 с.366371
