Вырубка и пробивка

1.1. Технологичность деталей

Технологические процессы листовой штамповки могут быть рациональными лишь при условии создания технологической конструкции или формы детали, допускающей наиболее простое и экономичное изготовление.

Габаритные размеры плоских деталей (заготовок) из металлов, вырубаемых в штампах, составляют от нескольких миллиметров до нескольких метров. Толщина этих деталей изменяется от 0,03–0,05 мм до 25 мм и выше. Верхний предел толщины и габаритных размеров деталей, получаемых вырубкой, ограничивается мощностью имеющегося на заводе парка оборудования (прессов) и размерами стола и ползуна пресса, а нижний предел — возможностью изготовления штампов.

Минимальная ширина детали или участка контура, получаемая вырубкой, должна быть больше 1,5s. Если деталь узкая и длинная (ширина b меньше 3s), то такую деталь целесообразно получать расплющиванием проволочной заготовки с последующей обрезкой по контуру.

Радиус скругления R наружного контура при вырубке детали из полосы, ширина которой равна ширине $b$ детали, находят из соотношения $R \geqslant 0 , 6 b$ , чтобы избежать образования выступов.

Минимальные размеры пробиваемых отверстий (рис. 5.11, в) зависят от их формы и механических свойств штампуемого материала. В табл. 5.1 приведены значения минимальных отверстий, пробиваемых в обычных штампах [8].

Выступы или пазы в вырубаемой детали (рис. 5.11, а) могут быть получены вырубкой, если их размеры больше следующих значений:

$$h \geq 1, 2 s; \quad b \geq (1, 2 \dots 1, 5) s,$$

где s — толщина вырубаемой детали.

б

Рис. 5.11. Размер вырубаемых элементов деталей и пробиваемых отверстий: а — вырубленная деталь; б — вырубка деталей в ленте; в — пробивка отверстий

Таблица 5.1

Минимальные размеры отверстий, пробиваемых в обычных штампах, в долях от s

При пробивке отверстий необходимо учитывать следующие положения:

· соотношение d > s справедливо только для быстроходных механических прессов, в которых пуансон подвергается ударной нагрузке. При использовании гидравлических прессов можно d брать меньше s;

используя специальные дыропробивные штампы, можно пробивать отверстия в твердой стали $d = 0 { , } 5 s$ , в мягкой стали и латуни $d = 0 , 3 5 s$ , алюминии $d = 0 , 3 s ;$ ;

вибрационный способ пробивки отверстий позволяет производить пробивку отверстий $d = ( 0 , 5 . . . 0 , 4 ) s ;$

если пробиваемое отверстие имеет уступы (см. рис. 5.11, б), то их высота должна быть больше толщины штампуемого материала, $\mathrm { T } . \mathrm { e } . h \geqslant s .$ . При меньших значениях h получить уступы пробивкой невозможно.

Расстояние между пробиваемыми отверстиями или между краем детали и отверстием (рис. 5.12) регламентируется формой отверстия, наружным контуром детали, толщиной и свойствами штампуемого материала.

Рис. 5.12. Минимальное расстояние между отверстиями при пробивке в стальных деталях

Минимальные значения m перемычек, при которых можно использовать пробивку для стали, составляют (0,7…1,5)s.

Величина m перемычки между отверстиями, краем наружного контура детали и отверстиями определяет не только возможность пробивки, но и конструкцию штампа. Если размер m перемычки мал, то пробить одновременно несколько отверстий или контур и отверстия невозможно из-за недостаточной прочности матрицы. Детали с близко расположенными отверстиями в зависимости от условий производства штампуют на двух или нескольких штампах простого действия или на одном комбинированном штампе последовательного действия. В обоих случаях стоимость детали увеличивается за счет высокой стоимости штампов, а точность исполнения детали уменьшается.

Стороны вырубаемого контура или пробиваемого отверстия должны сопрягаться плавными кривыми с возможно большими радиусами R. Радиусы R сопряжения должны быть нормализованы, а их минимальные значения в долях толщины s должны удовлетворять данным табл. 5.2. Исключение из указанного правила составляют детали, получаемые безотходной штамповкой, или детали, контур (отверстие) которых вырубают (пробивают) составными пуансонами.

Таблица 5.2

Значения радиусов сопряжения при вырубке и пробивке

Примечание. α — угол между сопрягающимися сторонами; s — толщина штампуемой детали.

У вытянутых и изогнутых деталей, кроме сохранения минимальной перемычки между пробиваемыми отверстиям и между наружным контуром и отверстиями, необходимо выдержать определенное расстояние $m _ { 1 }$ между отверстиями и вертикальной стенкой детали, при котором исключалась бы возможность набега края отверстия на радиус сопряжения стенок (рис. 5.13), иначе пуансон при пробивке вследствие изгиба может сломаться или, наскочив на режущую кромку матрицы, вызвать выкрашивание рабочей кромки.

Минимальное расстояние от оси отверстия до вертикальной стенки $m _ { 1 }$ определяется по формулам:

· для изогнутых деталей

$$m _ {1} \geq r + \frac {d}{2};$$

· для вытянутых деталей

$$d < D 2 r,$$

где d — диаметр отверстия; D — диаметр детали; r — радиус сопряжения стенок.

Рис. 5.13. Минимальное расстояние между отверстиями при пробивке и стенкой детали

Для увеличения срока службы штампа между переточками, а главное — для удешевления его изготовления, и для снижения стоимости штампуемых деталей, необходимо избегать в деталях резких переходов, узких и длинных открытых прорезей и обеспечивать получение минимального числа отходов.

При наличии острых углов на детали получить качественную по- верхность среза невозможно. Если материал детали твердый, кончик угла у детали будет сорван, а если материал детали мягкий, на углах будет сильная утяжка.

При вырубке детали, имеющей отверстия, пробивать отверстия следует одновременно с получением наружного контура, используя для этой цели комбинированные штампы совмещенного действия.

1.2. Сущность процессов вырубки и пробивки. Очаг деформации

Вырубка служит для получения из листа деталей с наружным контуром, при пробивке получают отверстие в детали. Вырубку и пробивку производят в штампах, рабочими органами которых являются пуансон и матрица. Между пуансоном и матрицей устанавливается определенный зазор z.

Лист или полосу устанавливают на матрицу, имеющую острые кромки. Пуансон, также имеющий острые кромки, опускаясь вместе с верхней частью штампа, внедряется в лист. При этом, как и при отрезке и разрезке, происходит относительное смещение металла листа в матрицу, которое заканчивается разрушением металла в зазоре, т. е. вырубкой или пробивкой. Отделенная часть листа проваливается в отверстие матрицы, а отход при ходе пуансона вверх снимается с пуансона съемником. Схема простейшего штампа для вырубки и пробивки представлена на рис. 5.14 [10].

Рис. 5.14. Штамп для вырубки и пробивки:

1 — пуансон; 2 — съемник; 3 — лист (полоса); 4 — деталь в случае вырубки, отход в случае пробивки; 5 — матрица

Процесс вырубки (пробивки), как и процесс отрезки листовых ма- териалов, состоит из трех последовательных стадий: упругой, пласти- ческой и разрушения (скалывания). Процесс начинается с упругой деформации, когда пуансон входит в соприкосновение с листом (за- готовкой) и образуется поверхность контакта. На первой стадии, в мо- мент внедрения пуансона в металл заготовки и вдавливания ее в от- верстие матрицы, происходит изгиб поверхности заготовки около режущих кромок, потеря плоскостности детали вследствие действия изгибающих моментов, вызванных силами резания.

В дальнейшем, по мере внедрения пунсона в лист (заготовку), начинается стадия пластических деформаций со значительным изгибом и растяжением волокон металла (рис. 5.15). Металл пластически деформируется и упрочняется.

границы очага деформации

Рис. 5.15. Очаг деформации при вырубке и пробивке

Как и в случае разрезки, ширина зоны пластической деформации $\Delta = ( 0 , 6 . . . 1 , 2 ) s$ зависит от свойств металла (чем пластичнее металл, тем шире зона пластических деформаций), от зазора z (увеличивается с ростом последнего), от степени притупления режущих кромок (увеличивается с ростом притупления) и от скорости деформирования (уменьшается с увеличением скорости деформирования).

В начале третьей стадии вдоль режущих кромок матрицы, а затем и пуансона в металле появляются микротрещины, далее — макротрещины, которые быстро растут в глубь металла. При нормальном зазоре эти трещины соединяются. При слиянии трещин процесс разделения металла заканчивается. Деталь отделяется от листа. Усилие вырубки (пробивки) резко падает. Отделение детали происходит прежде, чем пуансон проникнет в металл на полную его толщину.

Основной фактор, определяющий глубину внедрения пуансона,— жесткость материала, которая тем выше, чем больше твердость, предел прочности на срез и толщина металла. Более жесткий материал меньше изгибается, и глубина внедрения пуансона меньше. Отсюда относительная глубина внедрения пуансона $h _ { \mathrm { B } } / s$ (отношение глубины внедрения пуансона к толщине металла) меньше при большой толщине, чем при малой. При оптимальном зазоре изгиб металла незначителен, и поэтому мала глубина внедрения пуансона. Увеличение зазора, а также затупление режущих кромок вызывают увеличение глубины внедрения пуансона.

1.3. Оптимальный зазор

Зазор — это разность диаметральных размеров пуансона и отверстия матрицы. Удовлетворительное качество деталей обеспечивается правильными и равномерными зазорами и параллельностью режущих кромок.

Ранее, при рассмотрении механизма деформирования при разрезке, было показано, что для улучшения качества поверхности среза желательно принимать такие значения зазора, при которых трещины, идущие от режущих кромок пуансона и матрицы, встречаются своими вершинами, образуя единую поверхность. Уравнение (5.5), определяющее условия оптимального зазора, справедливо и для вырубки (пробивки).

При зазоре меньше оптимального $z < z _ { \mathrm { o r r } } ,$ , скалывающие трещины не совпадают. Материал, находящийся между трещинами в конце рабочего хода пуансона, разрушается. При этом образуются два или несколько блестящих поясков, разделенных между собой зонами скалывания. Эти пояски ухудшают качество поверхности раздела и являются концентраторами напряжений. При малом зазоре возрастает концентрация нормальных напряжений у рабочих кромок пуансона и матрицы. Это вызывает быстрое затупление рабочих кромок и, следовательно, снижение стойкости.

С уменьшением зазора (по сравнению с оптимальным) изгибающий момент уменьшается. При этом растягивающие напряжения, действующие в металле в радиальном направлении, уменьшаются и почти не оказывают влияния на упругие деформации вырубаемой заготовки (детали). Однако в таком случае растут в заготовке напряжения сжатия, в результате чего после вырубки возникают обратные по знаку растягивающие упругие деформации. Эти деформации приводят к увеличению диаметра вырубленной детали и к уменьшению пробитого отверстия, тогда деталь остается в матрице, а отход плотно охватывает пуансон.

При значительном зазоре, большем по сравнению с оптимальным зазором $z > z _ { \mathrm { o n r } }$ , трещины скалывания выходят на свободные поверхности листа на некотором удалении от режущих кромок инструмента и образуют заусенец. При большом зазоре происходит увеличение растяжения и изгиба металла заготовки. Это приводит к потере плоскостности детали, искажению ее формы при вырубке. Кроме того, в этом случае на материале возникают утяжины, образующиеся у свободных поверхностей вблизи поверхности среза, которые также искажают форму заготовки при вырубке.

При выборе зазора, кроме качества поверхности среза, необходимо еще учитывать желаемую стойкость инструмента, на которую существенное влияние оказывает зазор, а также требования, предъявляемые к параметрам точности штампуемой детали. Величина оптимального зазора зависит от механических свойств материала заготовки, скорости деформирования, а также условий нагружения поверхностей заготовки вблизи поверхности среза и от размеров и формы деталей (отверстия). Отсюда выбор рациональных зазоров между пуансоном и матрицей при вырубке (пробивке) является многофакторной задачей с несколькими критериями оптимизации.

На практике оптимальный зазор при вырубке (пробивке) определяется по специальным таблицам, составленным на основании обобщения практических данных. Такие таблицы приводятся в справочниках, посвященных листовой штамповке.

При толщине металла 0,3–20,0 мм (табл. 5.3) оптимальный зазор изменяется в пределах 5–12% от толщины листа (меньшие значения относятся к меньшей толщине, большие — к большей).

Таблица 5.3

Двусторонние зазоры разделительных штампов, % от толщины s материала

Экспериментальные данные показывают, что при определении оптимального технологического зазора необходимо различать первый и второй оптимальные зазоры. Первый оптимальный зазор обеспечивает получение высококачественных деталей при высоких силовых и энергетических затратах на разделение штампуемого металла. При этом стойкость штампов будет пониженной. Второй оптимальный зазор обеспечивает получение деталей хорошего качества при минимальных или умеренных силовых и энергетических затратах на разделение металла. При этом стойкость штампового инструмента будет максимальной.

Оптимальный односторонний технологический зазор в разделительных операциях листовой штамповки для тонколистовых материалов можно определить по эмпирической формуле [8]

$$z _ {0} = 0, 3 2 K K _ {\nu} s \sqrt {\sigma_ {\mathrm{cp}}},$$

где $z _ { 0 }$ — односторонний зазор; K — коэффициент, определяющий вид оптимального зазора (первый или второй оптимальный зазор); $K _ { \nu } -$ коэффициент, учитывающий влияние скорости деформирования $\nu _ { { } _ { \perp } } ;$ s — толщина металла; $\sigma _ { \mathrm { c p } }$ — сопротивление срезу, МПа.

Для получения высококачественных деталей из тонколистовых материалов при определении первого оптимального зазора $K = 0 { , } 0 0 5$ . При определении второго оптимального зазора следует учитывать, что коэффициент K различен для каждого материала. Так, для меди $K = 0 , 0 1 5$ , для латуни Л63 М $K = 0 , 0 2 2$ .

Значение коэффициента $K _ { \nu }$ зависит от скорости деформирования и от материала. Так, при $\nu _ { \mathrm { { } , \ / { \pi } } } { \leqslant } 1 0 \mathrm { c m / c }$ для различных материалов $K _ { \nu } = 1 \mathrm { , 0 } \mathrm { ; }$ ; при $\nu _ { \mathrm { scriptscriptstyle I I } } \leqslant 1 0 . . . 3 0$ см/с коэффициент $K _ { \nu } \ : \mathrm { y }$ каждого материала свой: для меди М3 (s = 1,85 мм) $K _ { \nu } = 1 , 0 2$ , а для латуни Л63 М (s = 1,5 мм) $K _ { \nu } = 1 , 0 7$ . Сопротивление срезу $\sigma _ { \mathrm { c p } }$ при одностороннем зазоре $z _ { 0 } = 7 , 5 \%$ можно определить по эмпирической формуле

$$\sigma_ {\mathrm{cp}} = \left(\frac {1 , 2 s}{d + 0 , 6}\right) \sigma_ {\mathrm{B}} \approx \left(1 + \frac {2 s}{d}\right) \sigma_ {\mathrm{T}},$$

где $\mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { B } }$ — временное сопротивление; $\mathbf { \sigma } _ { \mathrm { { T } } } \mathrm { \Pi } \Pi \mathrm { { p e } , \Pi \mathrm { { f e } , \Pi } }$ текучести при растяжении.

1.4. Энергосиловые характеристики процесса вырубки и пробивки

К энергосиловым характеристикам процесса вырубки и пробивки относятся:

· усилие вырубки и пробивки;

· усилие проталкивания определенной части через рабочее отверстие матрицы;

· усилие съема отхода (или изделия) с пуансона;

· работа деформирования.

Усилие вырубки (пробивки). Усилие вырубки (пробивки) — деформирующее усилие, зависит от следующих факторов [7]:

· сопротивления материала заготовки срезу $\sigma _ { \mathrm { c p } }$

· толщины материала s;

· длины отделяемого контура;

· формы и состояния рабочих кромок пуансона и матрицы;

· зазора между пуансоном и матрицей;

· скорости деформирования;

глубины проникновения (внедрения) пуансона в металл в момент возникновения скалывающей трещины.

При расчете усилие вырубки и пробивки приближенно определяют как произведение площади боковой поверхности F, отделяемой части металла, на сопротивление срезу $\sigma _ { \mathrm { c p } } .$ . Однако действительные значения толщины листового металла отличаются от номинальных и допуск на толщину может составлять 5–10% от номинального значения. Кроме того, по мере притупления режущих кромок, усилие деформирования несколько увеличивается. Влияние этих факторов на усилие может быть учтено путем введения коэффициента k = 1,1…1,3.

Формула для определения усилия деформирования с учетом последнего замечания принимает вид

$$P = k F \sigma_ {\mathrm{cp}} = k L s \sigma_ {\mathrm{cp}}.$$

Из формулы следует, что максимальное усилие возникает в начале вырубки и при пробивке, когда площадь F максимальна.

В реальных условиях деформирования усилие вырубки, как это показано на рис. 5.16, изменяется от нуля в самом начале процесса до максимума, а затем уменьшается в момент появления скалывающих трещин.

Рис. 5.16. Изменение усилий вырубки (пробивки) стали 08 кп ${ \mathrm { ~ c ~ } } s = 2$ мм в зависимости от глубины внедрения $h _ { \scriptscriptstyle \mathrm { B } }$ пуансона при различном технологическом зазоре z (скорость деформирования 275 мин–1)

Если принять допущение о том, что по поверхности раздела происходит чистый сдвиг, а радиальная деформация $\varepsilon _ { \mathrm { { p } } }$ равномерно распределена по толщине заготовки и направление главных осей деформации в процессе деформирования остается неизменным, то формула для определения усилия вырубки и пробивки (до момента появления скалывающих напряжений) может быть представлена в виде [8]

$$P _ {x} = L (s x) \tau_ {s},$$

где x — глубина внедрения пуансона в металл; $\tau _ { s }$ — наибольшее касательное напряжение, $\mathtt { \tau } _ { \mathtt { s } } = 0 , 5 8 \mathtt { \sigma } _ { s }$ .

Необходимо отметить, что при холодной вырубке и пробивке происходит деформационное упрочнение металла. При этом напряжение текучести увеличивается с увеличением степени деформации.

Если считать, что изменение $\sigma _ { s }$ вследствие упрочнения происходит согласно степенной зависимости, предложенной С.И. Губкиным [5],

$$\sigma_ {s} = \frac {\sigma_ {\mathrm{B}}}{1 \psi_ {p}} \left(\frac {\psi}{\psi_ {p}}\right) ^ {\frac {\psi_ {p}}{1 \psi_ {p}}},$$

где $\sigma _ { \mathrm { B } }$ — временное сопротивление; $\psi _ { p }$ — относительное уменьшение площади поперечного сечения образца до начала образования шейки при испытании на растяжение; ψ — степень деформации, эквивалентная по упрочняющему эффекту, относительному изменению площади сечения заготовки в процессе деформирования,

$$\psi = \frac {F _ {0} F _ {x}}{F _ {0}} = \frac {s L (s x) L}{s L} = \frac {x}{s}.$$

Здесь x — глубина внедрения режущей кромки в заготовку; s — толщина заготовки, то усилие деформирования при вырубке (пробивке) с учетом упрочнения металла может быть определено по формуле

$$P _ {x} = \frac {0 , 5 8 \sigma_ {\mathrm{B}}}{2 (1 \psi_ {\mathrm{p}})} \left(\frac {x}{s \psi_ {\mathrm{p}}}\right) ^ {\frac {\psi_ {\mathrm{p}}}{1 \psi_ {\mathrm{p}}}} (s x) L, \tag {5.14}$$

где L — длина линии реза.

Из формулы (5.14) следует, что теоретически P = 0 при $x = 0$ и при $x = s .$ . Значит, функция $P { = } f ( x )$ имеет максимум. Определить величину $x _ { 1 }$ , соответствующую максимальному усилию, можно из условия $d P / d x = 0$ . Выполняя дифференцирование, находим, ${ \displaystyle { \bf q } { \bf T } { \bf 0 } x _ { 1 } } = s \psi _ { \mathrm { m } }$ . Подставив $x = x _ { 1 }$ в формулу (5.14), получаем

$$P _ {\max} = 0, 5 8 \sigma_ {\mathrm{B}} s L.$$

Учитывая, что для малоуглеродистых листовых сталей $\sigma _ { \mathrm { c p } } = 0 , 7 \sigma _ { \mathrm { B } }$ , имеем

$$P _ {\max} = 0, 8 3 \sigma_ {\mathrm{B}} s L. \tag {5.15}$$

Формула (5.15) является приближенной вследствие того, что условие постоянства $\tau _ { s }$ по площади среза не учитывает неравномерность деформаций по толщине заготовки, а также предполагает постоянство направления главных осей напряжений в процессе деформирования. По формуле сопротивление срезу $\sigma _ { \mathrm { c p } } = 0 , 5 \sigma _ { \mathrm { B } }$ , что несколько отличается от действительного значения. Более точные значения $\mathbf { \sigma } _ { \mathrm { c p } } ,$ , найденные экспериментально, приведены в справочниках.

При зазоре, меньшем оптимального, когда трещины не встречаются и образуются пояски вторичного среза, усилие снижается ступенчато, рывками, обеспечивая срезание перемычек, остающихся между трещинами. Таким образом, при зазоре, меньшем оптимального, максимальное усилие увеличивается незначительно, но существенно возрастает работа деформирования, а кроме того, вследствие заклинивания перемычек между трещинами, существенно возрастают напряжения, действующие на боковые поверхности режущего инструмента, что приводит к их повышенному износу.

Усилие проталкивания и съема. При вырубке с малым зазором деталь (или заготовка) остается в матрице, а отход плотно охватывает пуансон. В результате упругих деформаций на поверхностях раздела матрица и пуансона с металлом заготовки возникают контактные напряжения $\sigma _ { \mathrm { \scriptscriptstyle K M } }$ и $\sigma _ { \mathrm { { \mathrm { { K } \Pi } } } }$ , которые при проталкивании детали сквозь матрицу и при съеме отхода с пуансона вызывают возникновение напряжений трения. В связи с этим при рабочем ходе пуансону необходимо преодолеть не только сопротивление вырубке — пробивке $P _ { \mathrm { { B } } } ,$ но и сопротивление сил трения $T _ { \mathrm { { s } } }$ , которые возникают при перемещении детали относительно матрицы, а также сил трения $T _ { \mathrm { n } }$ , возникающих на контактной поверхности пуансона и отхода металла, как показано на рис. 5.17.

$$P = P _ {\mathrm{B}} + T _ {\mathrm{M}} + T _ {\Pi}.$$

При обратном ходе преодолевается только сопротивление трения съему металла с пуансона. Систему сил $T _ { \mathrm { { s } } }$ и $T _ { \pi }$ называют усилием проталкивания $P _ { \mathrm { n p } } = T _ { \mathrm { _ M } } + T _ { \mathrm { _ n } } ,$ а силу $T _ { \mathrm { { n } } } -$ усилием съема, $P _ { \mathrm { c u } } = T _ { \mathrm { n \cdot } }$ .

Рис. 5.17. Схема действия сил трения $T _ { \mathrm { { s } } }$ и $T _ { \pi }$

Определение усилий проталкивания и съема позволяет уточнить энергосиловые характеристики вырубки (пробивки), а также получить необходимые данные для расчета на прочность и жесткость отдельных деталей штампа (съемники, пружины, пуансонодержатели и детали их крепления и пр.).

Если считать, что отход металла соприкасается с пуансоном только блестящим пояском высотой h, то формула для определения усилия съема будет иметь вид

$$P = \mu \sigma_ {\mathrm{KII}} L h.$$

Для верхней оценки усилия съема можно принять $h = 0 , 3 s ; \mu = 0 , 2$ и $\begin{array} { r } { \mathbf { 0 } _ { \mathrm { p n } } \approx \mathbf { \mathbb { \sigma } } _ { \mathrm { c p } } , } \end{array}$ тогда получаем

$$P _ {\mathrm{cm}} = 0, 0 6 L s \sigma_ {\mathrm{cp}} = 0, 0 6 P.$$

Для принятых условий деформирования усилие съема составляет 6% от технологического усилия вырубки (пробивки).

Если силы трения, приложенные к поверхности контакта пуансона и отхода металла, равны силам трения, приложенным к поверхности контакта вырубленной детали и матрицы $( T _ { \mathrm { n } } = T _ { \mathrm { n } } )$ , то усилие проталкивания равно удвоенному усилию съема

$$P _ {\Pi \mathrm{p}} = 2 P _ {\mathrm{cm}}.$$

Однако, вследствие даже незначительного изгиба отдельной части металла, нормальные напряжения $\sigma _ { \mathrm { { \mathrm { K I I } } } } ,$ , приложенные к поверхности контакта пунсона и металла, во время съема могут увеличиваться. Также может возрасти высота площадки контакта. Все это приведет к некоторому увеличению усилия съема по сравнению с долей усилия проталкивания. Таким образом, можно записать, что

$$P _ {\Pi \mathrm{p}} \cong P _ {\mathrm{cM}}.$$

Кроме рассмотренных факторов, на усилие проталкивания и съема существенно влияют: ширина перемычки между соседними отделяемыми контурами (чем она больше, тем усилие проталкивания и съема больше); форма и размеры штампуемого контура; зазор между пуансоном и матрицей; возможность перекоса отхода металла относительно пуансона и пр. Поскольку учет влияния всех этих факторов представляет определенные трудности, усилие проталкивания и съема определяют, используя экспериментальные данные, полученные в функции усилия вырубки (пробивки) по следующим эмпирическим формулам:

$$P _ {\text { пр }} = k _ {\text { пр }} P = k _ {\text { пр }} P \left(\frac {h}{s}\right),$$

$$P _ {\mathrm{cM}} = k _ {\mathrm{cM}} P,$$

где $k _ { \mathrm { { \mathfrak { n } p } } }$ и $k _ { \mathrm { c m } }$ — коэффициенты (или относительные усилия) проталкивания и съема.

В зависимости от толщины металла, числа одновременно вырубаемых деталей и типа штампа (простого или последовательного действия), $k _ { \mathrm { { \scriptscriptstyle I I p } } }$ изменяется в пределах 0,05–0,14, а $k _ { \mathrm { c u } } 0 , 0 2 0 , 2 0$ [5].

Работа деформирования. Работа деформирования при вырубке (пробивке) может быть вычислена, если известна площадь, ограниченная кривой рабочей нагрузки (диаграммы), $P = f ( x )$ или известен коэффициент заполнения кривой рабочей нагрузки $\lambda .$ , называемый также коэффициентом полноты диаграммы и определяемый с помощью соотношения

$$\lambda = \frac {F _ {\text { Д }}}{P _ {\max} h ^ {*}},$$

где $F _ { \mathrm { , } }$ — площадь под кривой изменения усилия по пути; $h ^ { * }$ — значения хода до разрушения.

Величина коэффициента λ зависит от рода металла, его свойств и толщины листа (полосы) и в зависимости от этих характеристик изменяется в пределах 0,15–0,8. Чем тверже металл, тем значение λ меньше. Значения $\lambda$ для различных материалов в зависимости от толщины обрабатываемого металла приведены в табл. 5.4. Для других условий вырубки (пробивки) значения λ приводятся в справочной литературе по технологии холодной штамповки.

Таким образом, работа деформирования может быть определена по формуле

$$A _ {\text { Д }} = \lambda k \sigma_ {\mathrm{cp}} F _ {\mathrm{cp}} h,$$

где $h$ — ход режущих кромок; $F _ { \mathrm { c p } }$ — усредненная площадь диаграммы.

При зазоре меньшем нормального, когда появляются пояски вторичного среза, работа деформирования существенно увеличивается. Работа деформирования также возрастает по мере притупления режущих кромок, что необходимо учитывать при подборе оборудования.

Значения коэффициента полноты диаграммы λ (коэффициента заполнения кривой рабочей нагрузки)

1.5. Способы уменьшения деформирующего усилия

Для уменьшения деформирующего усилия при вырубке (пробивке) применяют различные способы [9]:

· вырубку контура по частям;

вырубку (пробивку) пуансонами разной длины со ступенчатым расположением рабочих кромок;

вырубку (пробивку) при помощи пуансонов и матриц с наклонными (скошенными рабочими кромками).

Вырубка пуансонами и матрицами со скошенными режущими кромками (рис. 5.18) позволяет кроме уменьшения усилия обеспечить плавную работу пресса и снизить шум во время вырубки, поскольку процесс вырубки (пробивки) в этом случае осуществляется постепенно, а не одновременно по всему контуру. В результате усилие вырубки (пробивки) может быть уменьшено на 30–40 %. Скосы выполняют симметричными относительно оси инструмента.

Рис. 5.18. Вырубка матрицей со скошенной кромкой (а) и пробивка пуансоном со скошенной кромкой (б)

Применение скосов вызывает прогиб той части металла, которая соприкасается с инструментом, имеющим наклонные режущие кромки. Поэтому при вырубке скосы делаются на матрице, а при пробивке — на пуансоне.

Высота скосов $H = ( 1 . . . 3 ) s ,$ , а угол скоса $\boldsymbol \Phi ^ { = } ( 3 . . . 8 ) ^ { \circ }$ °. При вырубке круглой заготовки в матрице с двусторонним скосом (рис. 5.18, а) формулы для определения усилия вырубки (пробивки) имеют вид:

· при высоте скоса Н, равной толщине металла,

$$P = \frac {2}{3} \pi d s \sigma_ {\mathrm{cp}};$$

· при высоте скоса Н, находящейся в пределах 0,5–1,0 толщины металла,

$$P = 2 s d \sigma_ {\mathrm{cp}} \arccos \frac {H 0 , 5 s}{H}.$$

При пробивке прямоугольного отверстия с размерами $b { \times } c$ пуансоном с двусторонними скосами (рис. 5.18, б), формулы для определения усилия имеют вид:

· при высоте скоса Н, равной толщине металла,

$$P = 2 s \sigma_ {\mathrm{cp}} (b + 0, 5 c);$$

· при высоте скосов Н больше толщины металла

$$P = 2 s \sigma_ {\mathrm{cp}} \left(b + \frac {0 , 5 s}{H}\right).$$

При вырубке и пробивке деталей или заготовок диаметром свыше 250–300 мм из толстолистого металла ( sD > 0 1, ), скосы предусматрива$( \frac { s } { D } > 0 , 1 )$ ют, как правило, на рабочих кромках матрицы. Число скосов (в виде повторяющихся волн) зависит от размеров матрицы, их может быть 4 и более. Относительная высота скосов $H / s$ изменяется в пределах 1–3: чем толще металл, тем относительная высота скоса меньше.

Для снижения усилия при многопуансонной вырубке и пробивке применяют пуансоны разной высоты. Разность высот пунсонов составляет (0,6…0,8)s.

При пробивке близко расположенных отверстий, центральные пуансоны должны быть короче остальных наполовину толщины листа.

1.6. Точность и качество поверхности среза при вырубке и пробивке

Точность при вырубке по наружному контуру и пробивке отверстий зависит [5]:

· от конфигурации и размера вырубаемой детали;

· конфигурации и размера пробиваемого отверстия;

· толщины материала заготовки;

· свойств и состояния материала;

· анизотропии материала;

· точности изготовления рабочих, фиксирующих и направляющих деталей штампа.

Для вырубки деталей обычной точности, величина допусков на приготовление рабочих частей штампа принимается по 3-му классу, иногда по 2-му классу точности.

В результате неравномерных напряжений в материале штампуемой детали, последние получаются не плоскими, а выпуклыми в сторону матрицы. Этот дефект частично устраняется применением в штампе прижима.

В результате анизотропии свойств листового материала вдоль и поперек направления проката, геометрическая форма вырубленной детали искажается. Особенно это проявляется при штамповке крупногабаритных деталей. При этом, при вырубке деталей из отожженных листов, форма искажается меньше, чем при вырубке из наклепанного металла.

В результате упругих деформаций, возникающих в детали при штамповке, размеры отштампованной детали отличаются от фактических размеров матрицы, а после пробивки размеры отверстий отличаются от размеров рабочей части пуансонов. Величина упругих деформаций зависит:

· от зазора между пуансоном и матрицей — с увеличением зазора размеры вырубленной детали уменьшаются, а размеры пробитого отверстия увеличиваются, и наоборот;

· свойств материала заготовки — чем пластичнее материал, тем меньше абсолютные значения упругих деформаций и больше абсолютные значения остаточных деформаций;

· линейных размеров штампуемой детали — при увеличении линейных размеров детали, абсолютные значения упругих деформаций возрастают;

· расположения отверстий при пробивке их в предварительно вырубленной заготовке; если отверстия расположены от края заготовки на расстоянии менее двух-трех толщин материала, контур детали и отверстия будут искажены;

· толщины материала — с увеличением толщины, при всех прочих равных условиях, максимальные значения упругих деформации уменьшаются, а остаточные значения увеличиваются.

Точность размеров штампуемых изделий при вырубке и пробивке обеспечивается правильным назначениям допусков на изготовление рабочих частей инструмента с учетом перечисленных выше факторов и точностью изготовлением инструмента.

К погрешностям формы вырубаемых деталей следует отнести погрешность профиля поверхности среза.

Поверхность среза при толщине более 1 мм имеет следующие отчетливо выраженные области: закругление, блестящий поясок и зону скалывания.

Профиль вырубленной детали из материала толщиной s при нормальном зазоре показан на рис. 5.19. Наибольший размер детали $d _ { \mathrm { { u } } }$ соответствует размеру матрицы, наименьший размер $d _ { \mathrm { n } } \mathsf { p a s m e p y }$ пуансона. По контуру среза детали со стороны образуется закругление высотой $h _ { \mathrm { y } } ,$ особенно заметное на толстых материалах. Высота утяжки $h _ { \mathrm { y } }$ зависит от усилия вырубки, формы вырубаемого контура и зазора между пуансоном и матрицей. Высота блестящего пояска $h _ { \mathrm { n } }$ . Шероховатость его поверхности составляет 1,6–10 мкм. Шероховатость поверхности части детали на высоте $h _ { \mathrm { c } } ,$ отделившейся в результате разрушения материала,— 20–40 мкм. Угол скола α при нормальном зазоре увеличивается с уменьшением толщины металла, уменьшается с увеличением напряжения среза $\sigma _ { \mathrm { c p } }$ . Высота заусенца $h _ { 3 }$ .

Рис. 5.19. Профиль вырубленной детали

При внедрении пуансона в полосу, металл растягивается и в месте зазора в нем образуется упрочненная зона. Сопротивление упрочненной зоны образованию трещин приводит к тому, что даже при острых режущих кромках металл разрушается не по режущим кромкам, а на некотором расстоянии от них. Часть упрочненной зоны остается в виде заусенцев. Высота заусенца $h _ { 3 }$ увеличивается по мере затупления режущих кромок и увеличения зазоров между пуансоном и матрицей. При затупленном пуансоне образование заусенца происходит на вырубленной детали. Форма поверхности среза на отходе (в полосе) после вырубки имеет вид, обратный виду вырубленной детали: со стороны пуансона образуется закругление, а со стороны матрицы — острая кромка. При затуплении матрицы, на отходе вокруг отверстия образуется заусенец.

При вырубке тупыми пуансоном и матрицей, заусенец образуется как на детали, так и на отходе. По высоте заусенцев судят о степени износа пуансона и матрицы, а также о качестве вырубленных деталей. На высоту заусенца $h _ { 3 }$ оказывает влияние и конструкция матрицы. При вырубке в матрице с цилиндрическим провальным окном, высота заусенца меньше, чем при вырубке в матрице с коническим провальным окном.

Качество поверхности разделения оценивается по показателям ее геометрических несовершенств и показателям микрогеометрии [7]. Геометрические несовершенства оцениваются по следующим коэффициентам: утяжки $k _ { \mathrm { y } } = h _ { \mathrm { y } } / s ;$ блестящего пояска $k _ { \mathrm { \pi } } = h _ { \mathrm { \pi } } / s$ , скола $k _ { \mathrm { c } } = h _ { \mathrm { c } } / s ;$ непрямолинейности $k _ { \mathrm { x } } = \mathrm { x } / s ;$ ; коэффициенту $k _ { \alpha } = \mathrm { t g } \alpha = x / h _ { \mathrm { c } }$ и высоте заусенца $h _ { 3 }$ .

Геометрические несовершенства поверхности раздела — и более высокое качество деталей (наиболее благоприятный профиль поверхности разделения) характеризуются сравнительно большим коэффициентом $k _ { \pi }$ и сравнительно малыми коэффициентами $k _ { \mathrm { y } } , k _ { \mathrm { c } } , k _ { \mathrm { x } }$ и $k _ { \alpha } .$ На основе принципа объединения коэффициентов kу, kс, kх и $k _ { \alpha }$ в соответствии с их числовыми значениями можно классифицировать характер поверхности разделения по классам геометрических несовершенств отдельно для пластичных и малопластичных материалов. Для последовательного измерения геометрических параметров профиля поверхности разработан универсальный прибор. Примеры классификации поверхности разделения по классам геометрических несовершенств деталей, вырубленных из разных материалов, приводятся в справочниках. Наличие такой классификации позволяет при разработке технологического процесса штамповки, исходя из требований, предлагаемых к деталям данного вида производства, решить вопрос, к какому классу геометрических несовершенств поверхности разделения отнести ту или иную деталь. Это определяет себестоимость изготовления штамповой оснастки, а следовательно, и себестоимость изготовления деталей.

Основной составной частью поверхности разделения, которая определяет ее качество, является высота $h _ { \mathrm { \pi } }$ блестящего пояска, т. к. эта поверхность участвует в сопряжении с другими деталями и контролируется по размерам. Величина $h _ { \pi }$ зависит от пластичности металла, толщины заготовки, технологического зазора и скорости деформирования (числа ходов пресса).

Основными параметрами, определяющими качество поверхности среза, являются:

конструкция и состояние штампов, особенно их рабочих частей; шероховатость поверхности рабочих частей штампа при вырубке и пробивке деталей толщиной до 1 мм рекомендуется по 8–9-му классу, а для деталей толщиной свыше 1 мм — по 6–7-му классу чистоты;

величина и равномерность зазора между пуансоном и матрицей; при нормальном зазоре, но затупленных кромках режущих частей инструмента, качество поверхности ухудшается из-за появления заусенцев по контуру деталей или отверстий;

· физико-механические характеристики материала — с повышением пластичности качество поверхности ухудшается; плохое качество поверхности получается при вырубке и пробивке титановых сплавов, нержавеющих аустенитных сталей и материалов, склонных к наволакиванию;

· число ходов пресса — работа на прессе с числом ходов 400 и выше при вырубке деталей из материала толщиной до 1 мм сопровождается улучшением шероховатости поверхности среза;

· правильный выбор смазки — влияет на качество изготовляемых деталей и срок службы штампов при вырубке и пробивке. Особенно большое значение смазка имеет при вырубке деталей из нержавеющих и электротехнических сталей, фосфорной бронзы; при вырубке и пробивке из этих материалов следует смазывать поступающий материал. Вырубку и пробивку деталей из хромоникиелевых сталей рекомендуется производить со смазкой вязким сульфидированным маслом.

Шероховатость поверхности среза при вырубке и пробивке находится обычно в пределах 5–6-го класса, а при отрезке и надрезке — 3–5 — классов чистоты (ГОСТ 2789–59).

1.7. Основные виды брака при вырубке и пробивке

При вырубке и пробивке на поверхности среза штампуемой детали получаются заусенцы или неровный (рваный) срез, распределенный неравномерно по всей поверхности [7]. Причины такого брака:

режущие кромки пуансона и матрицы в результате износа затупились;

рабочие кромки матрицы с цилиндрическим пояском имеют конус со стороны входа пуансона в матрицу (обратный конус у рабочей части матрицы);

· зазор между пуансоном и матрицей больше или меньше оптимального для данной марки и толщины штампуемого материала.

Если режущая кромка пуансона затуплена, при вырубке заусенец получается на детали, а при пробивке — на отходе. На отходе же при вырубке, а на детали при пробивке будет рваный край.

Если затуплены режущие кромки пуансона и матрицы, то заусенцы во всех случаях будут на детали и отходе. Высота заусенца зависит от степени затупления режущих кромок: чем больше затупление, тем выше заусенец.

Длительность сохранения режущих кромок у пуансона и матрицы при всех равных условиях зависит от правильного назначения их твердости после термообработки. Твердость у пуансона и матрицы должна быть разной. При вырубке твердость матрицы больше твердости пуансона на 2–4 единицы по Роквеллу (шкала С), а при пробивке твердость пуансона должна быть больше твердости матрицы на 4–6 единиц по Роквеллу (шкала С).

Затупление режущих кромок пуансона и матрицы, помимо заусенцев, вызывает искажение геометрических размеров вырубаемой детали. После выхода из матрицы, деталь распрямляется и ее размеры становятся больше размеров отверстия матрицы (для деталей с габаритными размерами больше 200 мм это увеличение может достигать 0,2–0,25 мм). Устранить описываемый дефект можно своевременной заточкой режущих кромок пуансона и матрицы. При заточке необходимо обращать внимание на состояние рабочих поверхностей. Если на поверхности пуансона или матрицы имеются продольные риски, устанавливать такой инструмент не следует, т. к. рабочие кромки будут быстро выкрашиваться, а штампуемые детали будут иметь рваные края.

Принято считать заточку режущих кромок неудовлетворительной, если при рассмотрении рабочих поверхностей пуансона и матрицы через лупу с 10-кратным увеличением рисок, царапин и неровностей на 1 мм2 будет больше 20.

Другая причина образования заусенца — наличие обратного конуса на рабочей полости матрицы, то есть конуса со стороны пуансона. По мере удаления от поверхности матрицы, размер отверстия в ней уменьшается. В этом случае при вырубке на отходе будет заусенец. Проталкивание такого отхода через отверстие матрицы затруднено, а тонкостенные матрицы иногда разрываются. Указанный недостаток инструмента можно исправить только расшлифовкой отверстия матрицы (если это допускает зазор между пуансоном и матрицей) или термопосадкой матрицы с последующим шлифованием до требуемых размеров.

Обратный конус наблюдается только у матриц с цилиндрическим пояском. К недостаткам таких матриц следует отнести быстрый износ режущих кромок матрицы, поскольку деталь или отход проталкиваются через нее. Для предотвращения появления заусенцев на штампуемых деталях, режущие кромки таких матриц следует часто затачивать, удаляя при каждой заточке значительный слой металла с поверхности матрицы. Однако применение матриц с цилиндрическим пояском неизбежно, когда отштампованные детали или отходы выталкиваются на поверхность матрицы. Это делается в случае, когда толщина штампуемой детали больше 2 мм или, независимо от толщины, деталь имеет сложную конфигурацию.

Во всех остальных случаях лучше выполнять рабочую полость матрицы с конусом от ее зеркала. Необходимо отметить, что при малых или больших углах конуса наблюдается интенсивный износ режущих кромок матрицы, что снижает ее стойкость. С точки зрения большей стойкости наиболее приемлемым углом конуса является угол в пределах 30–40 мин. При таких углах режущая кромка матрицы обладает достаточной прочностью и может выдержать достаточно большую ударную нагрузку. При этом, чем толще штампуемый материал, больше угол.

Неправильный выбор зазора между пуансоном и матицей ведет к появлению равномерно распределенных по поверхности среза заусенцев. При большом зазоре деталь на поверхности, обращенной в сторону матрицы, получает значительный изгиб, а по кромкам поверхности, обращенной к пуансону, появляется рваный и протянутый заусенец. При недостаточном зазоре поверхность среза на детали вместо одной блестящей полосы имеет две: одну сверху, а другую снизу со значительными наплывами. По кромке поверхности, обращенной к пуансону, появляется рваный заусенец с небольшим уширением кверху. Недостаточный зазор — одна из причин снижения стойкости штампа до заточки. В силу недостаточной величины зазора, между пуансоном и матрицей часто происходит разрушение (разрыв) матрицы при работе на прессе.

Заусенцы могут быть распределены по поверхности среза неравномерно (односторонние заусенцы). Причиной брака является неправильное распределение зазора между пуансоном и матрицей. Это происходит в случаях смещения пуансона по отношению к режущим кромкам матрицы в процессе работы, непараллельности поверхности стола пресса или подштамповой плиты нижней поверхности ползуна пресса, а также в случае, когда матрица не параллельна верхней части штампа; хвостовик штампа, а если его нет, то верхняя часть штампа закреплены неправильно, т. е. центр давления штампа и ось ползуна пресса не совпадают.

Смещение пуансона по отношению к режущим кромкам матрицы во время работы штампа происходит в следующих случаях:

· при затуплении одной из режущих кромок матрицы раньше других; у затупившегося края возникают повышенные боковые усилия;

· «пружинении» и изгибе пуансонов мелких размеров, что может происходить при неоднородной заточке режущих кромок;

· неравномерном распределении усилия по периметру среза;

неравномерном износе направляющих колонок штампа;

· упругой деформации станины пресса в процессе вырубки или пробивки, что вызывает перекос осей пуансона и матрицы, особенно в случае штамповки заготовок значительной толщины;

· неправильном изготовлении деталей штампов.

Неправильная форма вырубленной детали может возникнуть в силу следующих причин:

· заправки полосы в многоразовый штамп без использования предварительного упора;

· косообрезанных концов полосы, поступающей на вырубку;

· износа направляющих линеек в штампе;

· использования слишком узкой или слишком широкой полосы;

изгиба полосы в процессе вырубки или пробивки;

независимой установки штампа относительно механизма подачи;

· наличия выпуклого торца на пуансоне после заточки;

· недоведения полосы до упора при ручной подаче.

1.8. Чистовая вырубка и пробивка

В приборостроении, точном машиностроении предъявляются повышенные технические требования к качеству боковой поверхности и точности размеров плоских деталей. Высота блестящего пояска, который образуется при нормальных процессах вырубки и пробивки, а также щероховатость поверхности среза в ряде случаев не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к штампуемым деталям. Требуется, чтобы точность размеров соответствовала 8–11 квалитету, а шероховатость боковой поверхности (по всей толщине) соответствовала параметру $R _ { \mathrm { { a } } } = 1 , 2 5 . . . 0 , 6 3$ мкм для цветных металлов и $R _ { \mathrm { { a } } } = 2 , 5 . . . 1 , 2 5$ мкм для стальных изделий.

В массовом и крупносерийном производстве наиболее эффективными способами получения плоских деталей, которые удовлетворяют этим требованиям, является чистовая вырубка и пробивка и зачистка. Применение этих операций в ряде случаев заменяет механическую обработку, что существенно повышает производительность труда и снижает удельный расход металла. Чистовую вырубку и пробивку применяют для получения деталей из конструкционных и низколегированных сталей, латуни, меди, алюминия и алюминиевых сплавов [5, 9].

Увеличение высоты блестящего пояска и гладкости поверхности среза может быть достигнуто в основном двумя путями: повышением пластичности материала за счет увеличения действия всестороннего сжатия или изменением геометрии рабочих частей штампа.

Наиболее широко применяется чистовая вырубка и пробивка с предварительным сжатием заготовки при весьма малом зазоре между режущими кромками пуансона и матрицы (рис. 5.20). Вырубка со сжатием выполняется в условиях, когда свободные поверхности в очаге деформации отсутствуют и заготовка зажата между торцами пуансона и выталкивателя, а также между торцами матрицы и прижима. Обычно такая операция производится на специализированных прессах или штампах.

Рис. 5.20. Схема чистовой вырубки (пробивки) с предварительным сжатием заготовки:

1 — пуансон; 2 — прижим; 3 — заготовка; 4 — выталкиватель; 5 — матрица

Всесторонние сжатие заготовки в зоне очага деформации повышает пластичность металла. Вследствие этого возникновение трещин у режущих кромок может отсутствовать. Условия деформирования близки к чистому сдвигу, ширина очага деформации уменьшена по сравнению с обычной вырубкой (пробивкой). Деформации по толщине заготовки распределены более равномерно. Разрушение материала происходит почти одновременно по всей толщине без образования трещин, идущих от режущих комок.

Всесторонние сжатие может приводить к тому, что утяжины вблизи поверхности среза меньше, чем при обычной вырубке (пробивке). Это связано с уменьшением действия изгибающих моментов на процесс деформирования в начальной стадии.

При вырубке со сжатием зазор между пуансоном и матрицей берется равным 0,005–0,01 мм, существенно меньшим, чем при обычной вырубке.

Для большей локализации очага деформации, при вырубке со сжатием на прижиме, а иногда (при s > 5 мм) и на матрице применяют клиновые ребра, которые врезаются в материал до начала сдвига. При этом материал заготовки сжимается вблизи очага деформации кольцевым клиновидным ребром, выполненным за одно целое с прижимным кольцом штампа. При штамповке толстолистового металла (s > 4 мм), клиновидное ребро делают на матрице. Отделение одной части заготовки происходит в результате сдвига под действием касательных напряжений. Оптимальные размеры клиновых ребер устанавливаются экспериментально и приводятся в справочниках. При геометрически простой форме контура штампуемой детали, клиновидное ребро располагается повторяя форму контура, при сложной форме — ребро должно плавно огибать угловые участки.

Сопротивление сдвигу при вырубке со сжатием больше, чем при обычной вырубке и может превышать временное сопротивление $\mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { B } } .$ . Величина удельного давления наружного прижима на заготовку и внутреннего прижима снизу на пуансон должна примерно быть равна временному сопротивлению материала $\mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { { \delta } } } \mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { { { \delta } } } } \mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { { { \delta } } } } \mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { { { \delta } } } } \mathbf { { \sigma } } _ { \mathbf { { { \delta } } } }$ .

Полное (суммарное) усилие пресса Р, необходимое для чистовой вырубки (пробивки) со сжатием заготовки, в 1,65–2,25 раза больше, чем при обычной вырубке.

Обычно чистовую вырубку и пробивку выполняют на прессавтоматах с механическим приводом при номинальном усилии до 6,3 МН для штамповки деталей толщиной до 16 мм на прессавтоматах с гидравлическим приводом, с номинальным усилием до 25 МН для штамповки деталей толщиной до 40 мм. Прессавтоматы последовательно развивают: усилие, необходимое для прижима заготовки к матрице до начала вырубки (пробивки) и внедрения клиновидного ребра; затем усилие вырубки (пробивки) и усилие, необходимое для противодавления и выталкивания из матрицы готовых деталей. При отсутствии пресс-автоматов, для чистовой вырубки (пробивки) можно использовать универсальные механические прессы, оснащенные гидравлическими устройствами для прижима заготовки и создания противодавления в процессе штамповки деталей.

Качественную поверхности разделения можно получить за счет изменения рабочих частей штампа: притупления режущей кромки матрицы (вырубка с обжимкой) или пуансона; вырубки пуансоном с размерами большими (полнее) размеров матрицы и пробивки пуансонами, имеющими специальную форму рабочей части.

При вырубке (пробивке) с притуплением режущих кромок притупляют одну из сопряженных режущих кромок (матрицы или пуансона). Другая режущая кромка должна оставаться острой во избежание появления торцовых заусенцев. Обычно при вырубке притупляют режущую кромку матрицы, а при пробивке — пуансона.

В случае притупления режущих кромок уменьшается концентрация напряжений у притупленной кромки, а трещина зарождается у острой режущей кромки и, развиваясь, переходит на скругленную кромку сопряженного инструмента. Некоторый избыток металла при дальнейшем движении рабочего инструмента сдвигается на боковые поверхности среза. Все это способствует увеличению блестящего пояска.

Вырубка пуансоном, размеры которого превышают размеры матрицы (рис. 5.21), используется для изменения схемы напряженного состояния при вырубке для увеличения высоты блестящего пояска и улучшения гладкости поверхности среза. Между торцами пуансона и матрицы в этом случае образуется участок, который находится в условиях всестороннего сжатия, что повышает пластичность металла. Вследствие этого трещины на поверхности среза не образуются.

Рис. 5.21. Схема чистой вырубки пуансоном больше окна матрицы

Чем больше размер а, тем больше всестороннее сжатие в очаге де- формации, тем больше контактные напряжения и усилие деформирования. Обычно рекомендуются значения $a = ( 0 , 1 . . . 0 , 1 5 ) s$ . Более подробные рекомендации о выборе рабочих размеров инструмента даны в справочниках.

При вырубке пуансоном, размеры которого больше размеров матрицы, пуансон не может пройти в отверстие матрицы (рис. 5.21). В связи с этим пуансон не должен доходить до зеркала матрицы на величину u ≈ 0,1s, тогда окончательное разделение частей заготовки происходит при обратном ходе пуансона, когда силы трения на боковых поверхностях пуансона и матрицы действуют в противоположных направлениях, отрывая одну часть заготовки от другой и разрушая перемычку между ними. Недостатком указанного способа вырубки является образование шероховатого пояска отрыва.

Для улучшения качества поверхности среза и гарантированного разделения частей заготовки рекомендуется применение ступенчатых пуансонов, у которых размер нижней ступени (меньших поперечных размеров) равен размеру отверстий матрицы, уменьшенных на величину нормального зазора при вырубке (пробивке). В этом случае на заключительной стадии деформирования отделенная часть заготовки полностью проталкивается в отверстие матрицы, и рваной поверхности среза не возникает.

Для пробивки чистовых отверстий применяют три типа пуансонов (рис. 5.22). Первый тип — ступенчатый — применяют для пробивки отверстий в деталях из медных сплавов и дюралюминия. Процесс пробивки протекает в два этапа. Вначале частью пуансона меньшего диаметра d осуществляется обычная пробивка, а затем участком с большим диаметром D срезается припуск, таким образом получается отверстие заданного диаметра и требуемой шероховатости. Недостаток такого способа чистовой пробивки — невозможность заточки пуансона.

Второй тип — пуансон с остроконечным торцом — используется для пробивки в деталях отверстий, диаметр которых близок к толщине материала. При пробивке пуансон углубляется в материал на 75–90 % его толщины, отрывает образовавшийся отход и заглаживает стенки отверстия.

Третий тип — пуансон с торцом, имеющим форму усеченного конуса,— используется для пробивки отверстий в малоуглеродистой стали. Пуансон заходит в материал примерно на 60–70 % его толщины, вытесняя материал отверстия вниз и в стороны. Образуются трещины скалывания, отход выталкивается, а стенки отверстия в результате этого заглаживаются.

Рис. 5.22. Типы (а–в — первый — третий) пуансонов для чистовой пробивки

1.9. Зачистка в штампах

Вырубка со сжатием, требующая специализированного оборудования и высокоточных дорогих штампов, не всегда оказывается экономически целесообразной для получения деталей с точными размерами и боковой поверхностью, перпендикулярной плоскости заготовки и обладающей низкой шероховатостью. Достаточно хорошее качество вырубаемых деталей можно получить путем применения операций зачистки и калибровки.

Назначение операции зачистки — повышение точности размеров обрабатываемой детали и получение повышенного качества боковой поверхности детали по сравнению с обычной вырубкой и пробивкой. Зачисткой обрабатывают заготовки из цветных металлов и сплавов (медь и медные сплавы, алюминий и алюминиевые сплавы и др.), низкоуглеродистой и коррозионно-стойкой стали и титановых сплавов. Зачистку применяют в основном в приборостроении вместо механической обработки, что существенно снижает трудоемкость изготовления детали.

Размеры деталей, подвергающихся зачистке, не превышают 150– 2100 мм при толщине материала 3–4 мм. Зачистка более крупных деталей связана с трудностями при изготовлении штампов. Зачистку деталей толщиной более 3–4 мм (до 8–10 мм) выполняют за несколько операций.

Шероховатость поверхности после зачистки $R _ { \alpha } = 1 , 2 5 . . . 0 , 3 2$ мкм при толщине до 3 мм и $R _ { \mathrm { { \alpha } } } = 2 , 5 . . . 1 , 2 5$ мкм при толщине более 3 мм. При этом достигается точность размеров, соответствующая 8–11-му квалитету.

Ширина отделяемого зачисткой слоя материала всегда меньше толщины заготовки. Процесс его отделения принципиально иной по сравнению с таковым при вырубке и пробивке. Повышение качества поверхности среза при зачистке достигается срезанием припуска на боковых поверхностях детали с переводом части материала в стружку. Отделение припуска в виде стружки происходит постепенно, по мере опускания пуансона вплоть до опорной поверхности заготовки, а не путем скалывания, как при обычной вырубке и пробивке.

В зависимости от того, какой контур обрабатывают (внешний или внутренний), работает только одна режущая кромка инструмента. Отделение стружки осуществляется в основном режущей кромкой матрицы при зачистке наружного контура и режущей кромкой пуансона при зачистке внутреннего контура. Образование гладкой поверхности при срезании стружки зависит от остроты режущих кромок, толщины срезаемого припуска, механических свойств материала заготовки и ряда других факторов. При зачистке по наружному контуру, необходимо укладывать заготовку в штампе так, чтобы блестящий поясок был обращен к матрице, а при зачистке внутреннего контура — к пуансону. Это позволяет на заключительной операции зачистки срезать минимальный припуск, что позволяет избежать отрыва припуска с образованием шероховатой поверхности на заключительной стадии срезания стружки.

Схема деформирования при срезании припуска по наружному и внутреннему контурам детали показана на рис. 5.23.

Зачистка может осуществляться как пуансоном, размеры которого меньше размеров матрицы, так и пуансоном, большим матрицы. Зазор z при этом составляет 0,01–0,02 мм на сторону. В последнем случае зазор z отрицательный. Пуансон при этом не доходит до режущей кромки матрицы на 0,2–0,3 мкм. Стружка упирается в торец пуансона и отделяется при проталкивании следующей детали. Ввиду малых зазоров при зачистке пуансоном с размерами меньшими размеров матрицы необходимо тщательно изготовлять инструмент. При зачистке пуансоном больше матрицы требуется применение прессов высокой точности и тщательная установка штампов.

Зачистке могут быть подвергнуты как отдельно взятые отверстия, так и группы отверстий одновременно. Образование стружки при зачистке отверстий происходит так же, как и при зачистке наружного контура, но при зачистке отверстий последовательное образование кольцевых элементов стружки протекает внутри отверстия, поэтому стружка не разрывается, а сохраняется целой, в виде трубочки с блестящей внутренней и шероховатой наружной поверхностью (рис. 5.23, б).

Рис. 5.23. Схема зачистки (а) по наружному и (б) внутреннему контуру

Зачистку отверстий малого диаметра в штампах производят после сверления или пробивки. Если диаметры отверстий в изготовляемой детали больше толщины детали, то отверстия пробивают, а если меньше — их следует сверлить по кондуктору или кернам, то есть по разметке. Разметку осуществляют в керновочных штампах.

Применение операции кернения под сверление ограничивается толщиной обрабатываемых деталей: для деталей из стали 3 мм, из латуни и алюминия 3–5 мм. При сверлении по кернам деталей большей толщины наблюдается уход сверла более чем на 0,05 мм, что при точном сверлении недопустимо.

При выборе диаметра зачистных пуансонов необходимо учитывать изменение отверстия после зачистки вследствие упругой деформации зачищаемой детали.

Диаметр зачистного пуансона D, мм, определяется по выражению

$$D = \left(D _ {0} + \frac {2}{3} \delta\right) + i \delta_ {\Pi},$$

где $D _ { 0 }$ — номинальный диаметр зачищаемого отверстия; $\delta$ — допуск на отверстие; i — величина усадки отверстия; $\delta _ { \mathrm { { n } } } \mu { 0 } \Pi \mathrm { { y c } } \mathrm { { K } }$ на изготовление пуансона.

Величина i для мягкой стали составляет 0,008–0,015 мм, для алюминия — 0,005–0,01 мм и для латуни — 0,007–0,012 мм.

Усилие P, кг, для зачистки отверстий малого диаметра рассчитывается по формуле

$$P = \pi d y q n,$$

где d — диаметр зачищаемого отверстия, мм; y — припуск на зачистку отверстия, мм; q — удельное давление зачистки, $\mathbf { K } \Gamma / \mathbf { M } \mathbf { M } ^ { 2 }$ , значение которого приводится в табл. 5.5; n — число одновременно работающих зачистных пуансонов.

Таблица 5.5

Значения удельных давлений $q , \mathrm { \mathbf { K } } \mathbf { \Gamma } \mathbf { \mathbf { \Gamma } } / \mathbf { M } \mathbf { M } ^ { 2 } .$ , в зависимости от сечения стружки*, снимаемой при зачистке, и толщины зачищаемой детали

• Сечение стружки определяется по формуле f = πdy, мм2 .

Необходимыми условиями качественной зачистки по наружному контуру, помимо зачистных операций, являются обязательная правка заготовок и правильный выбор припуска Δ под зачистку. Припуском под зачистку называется разность между наименьшим размером заготовки, поступающей на зачистку, и наибольшим размером детали, получаемой после зачистки. Величина припуска под зачистку и ее распределение по контуру зачищаемой детали оказывают существенное влияние на чистоту поверхности среза и точность размеров.

Детали и заготовки, полученные вырубкой и пробивкой, имеют слегка конусную боковую поверхность (см. рис. 5.19), поэтому соответствующие друг другу поперечные размеры внешнего контура заготовки (или поперечные размеры отверстия в заготовке) неодинаковы (рис. 5.24).

Рис. 5.24. Схема расположения припуска на зачистку

Наибольший поперечный размер заготовки (отверстия) равен размеру рабочего отверстия матрицы $( D _ { \mathrm { m a x } } = d _ { \mathrm { x } } )$ , наименьший — размеру пуансона $( D _ { \mathrm { m i n } } = d _ { \mathrm { n } } )$ , а их разность равна значению двустороннего оптимального зазора $\boldsymbol { \mathcal { Z } } _ { \mathrm { o f f T } }$ между матрицей и пуансоном

$$D _ {\max} D _ {\min} = z _ {\text { опт }}.$$

Таким образом, чтобы соответствующие друг другу размеры внешнего контура заготовки (или отверстия в ней) были одинаковы во всех сечениях параллельных плокости листа, необходимо удалить припуск шириной $z / 2$ , но при таком припуске нельзя гарантировать получение чистовой блестящей поверхности среза по всей толщине, особенно у ее кромки. Поэтому односторонний припуск на зачистку $\Delta / 2$ должен быть больше, чем $z / 2$ , на некоторый размер $y / 2$ . Следовательно,

$$\Delta = z + y,$$

где Δ — полный двусторонний припуск на зачистку; y — дополнительный двусторонний припуск.

Если контур детали плавный с радиусами закругления более $5 s ,$ где s — толщина детали, распределение припуска равномерное. Если заготовка получена безотходной вырубкой или отрезкой, зачистка осуществляется в две операции, припуск распределяется в зависимости от контура зачищаемой детали, и, если контур зачищаемой детали сложной формы или имеет острые или тупые углы, зачистка осуществляется в две операции.

Пуансоны и матрицы зачистных штампов изготовляют из стали Х12М. Твердость после термообработки HRC 60–62. Режущие кромки матрицы скошены в сторону от рабочего контура под углом 10– $1 5 ^ { \circ }$ к горизонтали. Угол скоса матрицы зависит от материала заготовки и припуска.

Припуск y зависит от рода зачищаемого металла, его толщины и формы контура детали. Припуски на зачистку устанавливают по табл. 5.6, для гетинакса и текстолита 0,2–0,5 толщины листа.

Таблица 5.6

Двусторонние припуски D в обычных матрицах под зачистку, мм

Детали толщиной 3–6 мм при простом контуре могут быть зачищены за одну операцию, при сложном контуре — за две или три операции. Припуск на первую операцию выбирается по табл. 5.6, а на последующие — на 40% меньше.

Зачистке плохо поддаются стали, легированные молибденом, ванадием и никелем.

Усилие зачистки обычно составляет примерно 25% усилия вырубки-пробивки.

Размеры матрицы и пуансона для зачистки наружного контура определяют по формулам

$$D _ {\mathrm{M}} = D + z + y; D _ {\Pi} = D + y,$$

где D — диаметр детали после зачистки; z — диаметральный зазор между матрицей и пуансоном; y — припуск на зачистку.

Припуск на диаметр отверстий принимается после сверления 0,1– 0,15 мм, после пробивки 0,15–0,20 мм.

При многократной зачистке полный двусторонний припуск на зачистку

$$\Delta = y (0, 7 N + 0, 3) + z,$$

где N — число операций зачистки.

Величину припуска при зачистке отверстия малого диаметра для отверстий длиной до 3,5 мм при расстоянии между ними не более 40 мм принимают после сверления 0,1–0,15 мм на диаметр, а после пробивки — 0,15–0,2 мм.

Применяют комбинированный способ, совмещающий пробивку и зачистку. Такой способ осуществляется ступенчатым пуансоном. Конструкция матрицы та же, что и при пробивке, у одной части пуансона зазор с матрицей z1, у другой — z2. В начале рабочего хода осуществляется пробивка отверстия, при дальнейшем движении пуансона срезается припуск.

Пробивка ступенчатым пуансоном листового материала обеспечивает высоту неровностей 1,6–10 мкм, но высокой точности достичь невозможно. Отверстие получается коническим.

Необходимо отметить, что зачистка позволяет удалить механическим путем упрочненный слой, расположенный по контуру детали и отверстия, которые получены обычной вырубкой и пробивкой. При выполнении формоизменяющих операций (например, отбортовки отверстия) отсутствие упрочненного слоя по контуру позволяет повысить предельную степень деформации.

Применение чистовой вырубки и пробивки из-за высоких контактных напряжений на рабочем инструменте требует использования специальных технологических смазочных материалов: ХС-147; ХС-163, ХС-164, Укринол 5/5 и др. Эти материалы обладают высокой адгезией и теплопроводностью. Применение данных материалов уменьшает контактное трение, предохраняет инструмент от налипания, исключает задиры, вырывы и т. п.