наш телефон:
+7 812 449-27-21
 
8-10 апреля 2014 г. в Подмосковье прошла конференция "Сварочные и…
   

Гибкие технологии в производстве листовых деталей.
Untitled Document "Гибка" звучит просто, но в действительности это очень сложный технологический процесс, хотя понятие «гибка листа» не очень ассоциируется с высокой технологией. Однако, технические специалисты, хорошо знакомые с листовым металлопрокатом прекрасно знают, что даже в нашем высокотехничном мире трудно постоянно получать при гибке один и тот же угол, не меняя параметров настройки. То получается, а то – нет! Гибка относится к формообразующим операциям и характеризуется тем, что заготовка получает упруго-пластические деформации, а деформирование протекает без разрушения или потери устойчивости. Сам процесс гибки в штампах осуществляют одновременным действием на заготовку пуансона и матрицы, причем точки приложения сил Р и Q находятся на определенном расстоянии друг от друга (рис. 1). Силы Р и Q образуют изгибающий момент, достаточный для выполнения формоизменения. В процессе гибки кривизна деформируемого участка заготовки (очага деформации) увеличивается, при этом одновременно происходит растяжение внешних и сжатие внутренних слоев. Слои металла внутри угла изгиба (со стороны пуансона) сжимаются и укорачиваются в продольном и растягиваются в поперечном направлении. Наружные слои (со стороны матрицы) растягиваются и удлиняются в продольном и сжимаются в поперечном направлении. По мере уменьшения радиуса изгиба пластической деформацией охватывается вся толщина заготовки. Форма зоны пластической деформации и ее протяженность при α = 90° составляют около одной четверти плеча гибки l.

 
Заготовка в очаге деформации обычно имеет контакт с поверхностью одного рабочего инструмента если идет процесс одноугловой гибки. Как правило, при деформировании поверхность заготовки в зоне очага деформации перемещается относительно поверхности инструмента. На контактную поверхность заготовки со стороны инструмента действуют нормальные σн и касательные τк напряжения. Касательные напряжения возникают вследствие контактного трения.
Так как радиусы кривизны срединной поверхности в очаге деформации обычно значительно больше толщины заготовки, то нормальные напряжения на контактных поверхностях при деформировании без принудительного утонения значительно меньше напряжения текучести.
Рис. 1 Схема приложения сил процесса гибки
Воздействие изгибающих моментов на деформирующийся элемент заготовки приводит к изменению величин продольных сил, а следовательно, и нормальных напряжений по сравнению со значениями, необходимыми для пластической деформации элемента без изменения его кривизны.

 Начиная с определенного радиуса кривизны в поверхностных слоях заготовки появляются пластические деформации. По мере увеличения кривизны толщина зоны пластической деформации увеличивается, а толщина упругодеформированного слоя уменьшается.
Для изготовления гнутых деталей требуется металл с высокими пластическими свойствами. Основной показатель пригодности металла, предназначенного для изготовления холодноштампованных деталей, - его технологическая деформируемость, характеризующая способность металла изменять свою форму при обработке давлением без нарушения сплошности. Технологическая деформируемость включает понятия «штампуемость» и «допустимое формоизменение». Штампуемость – характеристика металла, отражающая возможность пластической обработки металла до требуемой степени деформации. Штампуемость зависит от качества и физического состояния металла, а именно: химического состава, характеристик прочности, пластичности, анизотропии, размеров зерна и структурного состояния, объема неметаллических включений, склонности металла к деформационному старению и пр. Допустимое формоизменение зависит от условий штамповки, относительных размеров и формы детали, конструкции инструмента, зазоров между рабочим инструментом и
прочее, а также от вида напряженно-деформированного состояния в очаге деформации штампуемой детали.

Для оценки штампуемости листового металла, кроме характеристик механических свойств, предусмотренных техническими условиями, определяется коэффициент нормальной пластической анизотропии R*, показатель деформационного упрочнения n и относительное равномерное удлинение δp.

Рис. 2. Схема построения фигуры плоской анизотропии

Под анизотропией понимают различие механических свойств листового металла в различных направлениях прокатки, которое имеет текстурную (вдоль или поперек волокон) и кристаллографическую природу.
На диаграмме (Рис. 2) представлена кривая изменения коэффициента нормальной анизотропии в различных направлениях относительно направления прокатки.
Коэффициент нормальной анизотропии для большинства металлов R * = 0,2-2,7.
Показатель деформационного упрочнения определяют по результатам испытаний на растяжение:
n = ln ( lp / lo ), где lo и lp - длины образцов до и после растяжения .


Изменение механических свойств металла при пластической деформации отражают диаграммы истинных напряжений (кривые упрочнения) и диаграммы пластичности. Параметры кривых упрочнения – критерии оценки штампуемости металла. Для определения этих параметров используют различные аппроксимации диаграмм истинных напряжений. Диаграммы пластичности отражают критические деформации при различных схемах напряженного состояния.
 
Рис. 3 Эпюры распределения напряжений по толщине заготовки 
 

На рисунке 3 схематично показаны эпюры распределения напряжений по толщине заготовки для случаев, когда внутренний радиус изгиба больше толщины металла rB > 10 s (линейное напряженное состояние) и равен ей rB = s (объемное напряженное состояние)
Изгибающий момент, необходимый для гибки заготовок, определяется как сумма моментов, создаваемых в зонах растяжения и сжатия в очаге деформации относительно центра кривизны заготовки (на рисунке 4 приведена схема к определению изгибающего момента).

  Определение изгибающего момента, в частности, и деформирующего усилия, необходимого для гибки деталей, в общем, представляет определенные трудности и может быть решено лишь приблизительно, так как зависит от большого числа факторов. Более того, усилие, необходимое для гибки заготовок, зависит от площади контакта изгибаемой заготовки с пуансоном и матрицей. 
Рис. 4 Напряжения в детали при гибке

Поэтому различают отдельные стадии гибки (на примере одноугловой гибки – рис 5): 


Рис. 5 Схема одноугловой гибки

а) стадия свободного изгиба – заготовка соприкасается с инструментом только в трех точках,
б) стадия прилегания прямолинейных участков заготовки к угловому пазу матрицы,

            в) стадия, когда с уменьшением радиуса изгиба центральной части заготовки, ее полки отходят от паза матрицы и поворачиваются до упора в боковые грани пуансона (только  при радиусе скругления пуансона меньше радиуса свободного изгиба заготовки),

г) стадия разгибания (правки) полок заготовки с одновременным уменьшением радиуса изгиба центрального участка.
Для изготовления крупносерийных партий деталей на универсальном гибочном оборудовании можно применять процесс многоугловой гибки.
На рис. 6, приведена последовательность процесса двухугловой гибки скобы. Этот случай гибки значительно отличается от рассмотренного не только тем, что он требует обязательного применения прижима, но и иной величиной изгибающего момента, так как в данном случае изгиб происходит с малым расстоянием между опорами. Большое значение имеет усилие прижима. В левой части верхних схем показана последовательность гибки при недостаточной силе прижима, в результате чего деталь получается некачественной — недоштампованной. В правой части схем показана последовательность гибки при достаточно большой силе прижима, обеспечивающей полный загиб полок при плоском дне.

На нижней схеме (рис.6) приведен более надежный способ гибки деталей средней толщины с глухим калибрующим ударом в нижнем положении. Однако он требует применения материала с небольшим отклонением по толщине и запаса мощности пресса, во избежание заклинивания в нижней мертвой точке.
Рис. 6 Последовательность
процесса при двухугловой гибке. 
Рис. 7 Трехмерная модель гиба
на специальной матрице.
 

Гибка без прижима применяется лишь для деталей невысокой точности (7-й класс), так как допускает смещение заготовки при гибке. Гибка с прижимом применяется для деталей повышенной точности (5-й класс), так как не допускает смещения заготовки в процессе гибки,

Технологическая деформируемость определяется системой: металл – конструкция детали – технология изготовления детали (штамповки) – гибочный инструмент (штампы) – листогибочное оборудование (пресса).

Современные листогибочные пресса, под управлением компьютера обеспечивают высокоточную гибку любых по сложности деталей. Программируемые упоры обеспечивают надежное закрепление детали любой формы в необходимом для проведения гиба положении. Гидравлический привод рабочего инструмента обеспечивает исключительную точность хода и необходимое усилие. Максимальная автоматизация процесса обеспечивает минимальные временные затраты и высокую производительность. 
На примере компании Parma Stamp s.r.l., специализирующейся на производстве гибочного инструмента мы рассмотрим весь технологический процесс изготовления пуансонов и матриц.

Компания является признанным лидером в области производства технологической оснастки в течение более чем 20 лет. Фирма – разработала и ввела в свою повседневную практику самые жесткие корпоративные стандарты на весь процесс производства оснастки от ее проектирования до пуска в эксплуатацию. Эти внутренние стандарты позволили в настоящее время производить и продавать конкурентоспособную продукцию гарантированного и стабильного качества, которая удовлетворяет все требования клиентов.  

Изготовление технологической оснастки (матриц и пуансонов) для листогибочных прессов по просьбе клиентов может начинаться с проработки чертежа изгибаемой детали. В этом случае компания Parma Stamp s.r.l. будет нести полную ответственность за предложенный для изготовления данной детали инструмент. Однако клиент может отказаться от этой услуги и выбрать стандартный инструмент по каталогу или прислать свои чертежи инструмента. В случае, если клиент не может однозначно подобрать стандартный инструмент, в трехмерной конструкторской программе проектирования строится соответствующая модель процесса гибки, и подбирается стандартный инструмент. Если стандартный инструмент подобрать не удается, проектируются специальные матрица или пуансон.
 

Одновременно с проработкой технологии гиба производится проверка детали на предмет технологичности ее изготовления. Изогнутые детали должны соответствовать определенным технологическим требованиям: Разрабатывается и оптимизируется пооперационная технологическая карта гибочного процесса – рисунок 8

    
операция 1  операция 3  операция 5  операция 7 
    
операция 2  операция 4  операция 6  операция 8 и 9 
  
операция 9 
 
 
Рис. 8  Пооперационные переходы 
 
1.         Минимально допустимый радиус гибки зависит от следующих факторов: механических свойств материала; угла гибки; направления гибки относительно направления волокон проката – и определяется по формуле: Rmin = K S, где К – коэффициент, зависящий от механических свойств металла приведен в таблице 1.; S - толщина материала в мм.

Металл

Нормализованный металл

Наклепанный металл

Расположение линии гибки

Поперек волокон проката

Вдоль волокон проката

Поперек волокон проката

Вдоль волокон проката

 Алюминий

-

-

0,3

0,8

 Медь

-

-

1,0

2,0

 Латунь Л68

-

0,2

0,4

0,8

 Сталь 08кп

-

-

0,2

0,5

 Сталь Ст.3

0,1

0,5

0,4

0,8

 Сталь Ст.4

0,2

0,6

0,5

1,0

 Сталь Ст.5

0,3

0,8

0,6

1,2

 Сталь Ст.6

0,5

1,0

0,8

1,5

 Сталь 30ХГСА

-

-

1,5

4,0

 Сталь нержавеющая Х15Н9Ю

-

-

2,5

6,5

 Дюралюминий Д16М

1,0

1,5

1,5

2,5

 
2.    Величина внутреннего радиуса (r1, r2) должна быть не меньше трех толщин материала (r2 > 3S) – рисунок 9а.
3.    Длина отгибаемой части детали должна быть не менее двух толщин материала. Если отгибаемая часть должна быть короче рекомендуемой величины, ее изготавливают более длинной, а затем обрезают по требуемому размеру – рисунок 9б.
4.    Необходимо избегать резкой разницы в длинах линии гибки, так как при изгибе такая деталь будет стягиваться в одну сторону (участки а и в) – рисунок 9в.
5.    Недопустимо сочетание высоких и низких полок. При гибке таких деталей разные участки полок будут гнуться не одновременно, и в результате низкий участок в полке получится искривленным – рисунок 9г; вид а – конструкция неправильная, вид б – конструкция правильная.
6.    Угол между линиями контура и гибки должен быть равен 90˚, так как иначе заготовка деформируется – рисунок 9д вид а – конструкция неправильная, вид б – конструкция правильная.
7.    Для предотвращения искажения формы отверстия, расположенного близко к линии гибки, необходимо принимать расстояние от центра радиуса до края пробитого отверстия не менее двух толщин (а > 2S) материала. В противном случае пробивку отверстия следует делать после операции гибки, – рисунок 9е.
Тип гибочной оснастки и точность ее исполнения (размеры матрицы и пуансона) для конкретного гиба определяются различными параметрами: механическими свойствами используемого материала, толщиной изгибаемого материала, необходимым углом гиба и количеством переходов при гибке, шириной и длиной полки гиба. Чертежи оснастки разрабатывают по натуральным образцам изделий или их чертежам. Сама оснастка изготавливается на станках с ЧПУ, что позволяет использовать для составления программ чертежи в электронном виде и легко вносить в программы изменения.
К конструкции гибочного инструмента предъявляются три важнейших требования:
1.    сопряжение формообразующих поверхностей пуансона и матрицы с заданной величиной зазора;
2.    прижим заготовки, предотвращающий смещение ее относительно первоначального положения (проскальзывание по поверхности пуансона и матрицы) в течение всего процесса формообразования;
3.    максимальное приближение характера деформации заготовки к чистому изгибу.
 
   
 а
 б
 в
   
 г
 д
 е
  Рис. 9 Типовые детали получаемые методом гибки
 

При разработке технологической оснастки необходимо учитывать угол пружинения, когда гнутые детали после снятия изгибающего момента упруго распружинивают и меняют угол гибки. Угол пружинения зависит от механических свойств и толщины материала, радиуса гибки, формы детали и способа гибки.
На рисунке 10 приведена диаграмма определения радиусов гибочного инструмента (а) и углов пружинения при гибке V-образных деталей (б).

 
 
Рис. 10 Диаграмма определения радиусов гибочного инструмента 
 
 

Величину рабочего угла гибочного пуансона и матрицы αр (в град) определяют по формуле:
αр = α ± [∆α], где α – угол по чертежу детали в град;
[∆α] – величина угла пружинения.
При V–образной гибке (угол гибки 60-90˚) размеры основных конструктивных элементов матрицы Rм (радиус скругления ручья матрицы) и H (высота от основания матрицы до основания ручья матрицы) рекомендуется принимать согласно таблицы и размер l (ширина раскрытия ручья матрицы) – по приведенной диаграмме, где пунктиром приведены кривые для материала с σВ = 100 … 200 МПа, а сплошной линией – с σВ =300 … 500 МПа

 
 
Рис. 11 Конструктивные элементы при V-образной гибке 
 

Конструктивные элементы матрицы

Толщина материала S в мм

до 0,5

от 0,5
до 1,0

от 1,0
до 2,0

от 2,0
до 4,0

от 4,0
до 6,0

от 6,0
до 10,0

Rм

1

2

3

4

5

6

H

10

15

15-20

20-25

25-30

30-40

 
Таблица 2. Зависимость величины зазора - z от толщины металла 

 
/* Style Definitions */ p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-parent:""; margin:0cm; margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-fareast-font-family:"Times New Roman";} mso-paper-source:0;} -->
Радиусы (в мм) закругления в ручьях матриц рассчитывают по формуле:
R1 = (0,6-0,8) (RП + S),
Величина зазора (z) между матрицей и пуансоном принимают равной толщине материала с учетом максимального положительного отклонения по толщине.

 

 

Рис. 12 Диаграмма радиусов скругления пуансонов от длины рабочей части матрицы и толщины материала
Рис. 13 Строганная заготовка
 

Компания Parma Stamp s.r.l. разработала прикладную программу, которая позволяет производить все указанные выше вычисления в предельно сжатые сроки. Рассчитанная таким образом технологическая оснастка преобразуется в рабочий чертеж, технологические карты и передается на производство.
Пуансоны и матрицы обычно изготавливают из прямоугольного проката инструментальной стали С45 (итальянский стандарт UNI) или стали 1.2312 (немецкий стандарт W.-nr.), а для высокопрочной оснастки применяют легированную сталь 42CrMo4 (по стандартам Италии UNI или Германии DIN). Специальные методы и условия хранения металла обеспечивают качество инструмента уже на начальном этапе.

Черновую обработку заготовок из прямоугольного проката заданной длины производят на продольно-фрезерных станках, после окончательное формообразование с припуском на чистовую обработку производят на продольно-строгальный станок. По сравнению с другими технологическими методами окончательного формообразования строгание экономически более выгодно вследствие простоты конструкции и малой стоимости режущего инструмента. Строгание позволяет образовывать вертикальные 1, горизонтальные 2 и наклонные 3 поверхности, уступы и пазы 5, канавки 4 и реже – криволинейные поверхности 6. На предприятии в фирме Parma Stamp установлены двухстоечные продольно-строгальные станки с ЧПУ портальной компоновки с длиной направляющей 12 метров. Станки позволяют обрабатывать заготовки с точностью порядка 4-го класса и формировать оснастку с шероховатостью поверхности – 7-го класса.

 

 

Рис. 14 Производство матрицы на 12 метровом универсальном строгальном станке

Изготовленный на строгальном станке инструмент, имеющий технологический припуск на шлифовку, разрезаются лентопильными станками на мерные длины, согласно технологической карте на производство данной оснастки.  
Цельный и сегментированный инструмент если это требуется отправляется на закалку. Термическую обработку инструмента Parma Stamp по аутсарсингу поручает проводить фирме TIMAF s.n.c.. Эта компания специализируется только на работах по термообработке различных деталей для отраслей то точного и до тяжелого машиностроения. Каждое обработанное изделие сопровождается сертификатом на термообработку.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости деталей.


Рис. 15 Распределение температур по глубине при поверхностной закалке.

Поверхностная закалка осуществляется нагревом поверхностного слоя детали до температуры  на 20-30 ˚С выше критических точек АС3 и АС1 с последующим быстрым охлаждением для получения на поверхности изделия структуры мартенсита.


При этом, слой металла нагретый выше АС3 (1), получит полную закалку: слой, нагретый выше АС1, но ниже АС3 (2) - неполную закалку, а сердцевина (3) или вовсе не нагреется, или нагреется ниже АС1 и закалки не получит. Мартенсит в стали – пересыщенный раствор Fe – C, получающийся при закалке. Упорядоченное размещение атомов углерода (в результате мартенситного сдвига) превращает объёмноцентрированную решётку альфа-железа из кубической в тетрагональную. Её искажения около внедрённых атомов вызывают упрочнение.  Толщина закаленного слоя колеблется в пределах 4-6 мм, а его твердость составляет 55-60 HRC. Сердцевина детали остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. Процесс индукционной поверхностной закалки придает оснастке требуемую твердость и сильно повышается сопротивление усталостному разрушению. Есть и другие типы поверхностного упрочнения, такие как цементация, азотирование и другие, которые могут быть использованы по мере надобности.
Индукционная поверхностная закалка реализуется в индукционных нагревательных установках, состоящих из понижающего трансформатора, индуктора, батареи конденсаторов и системы охлаждения. Индуктором создается электромагнитное поле, оно наводит в металлической детали вихревые токи, наибольшая плотность которых приходится на поверхностный слой детали, где и выделяется наибольшее количество тепла. Это тепло пропорционально мощности, подведенной к индуктору, и зависит от времени нагрева и частоты тока индуктора.

Рис. 16 Индуктивная закалка матрицы

 

 
Первым и основным преимуществом всякой закалки с поверхностным нагревом, в том числе и индукционной поверхностной закалки, по сравнению со сквозной закалкой является уменьшение хрупкости металла деталей и изделий. Хрупкость уменьшается в результате образования пластической и вязкой сердцевины, а во многих случаях вследствие местного расположения закаленного слоя только на участках, твердость которых должна быть высокой.
Вторым преимуществом закалки с поверхностным нагревом является существенное уменьшение деформаций во время нагрева и охлаждения, достигаемое за счет жесткости холодной сердцевины.
Третьим преимуществом является практически полное устранение окисления и обезуглероживания, что при уменьшении деформации позволяет в некоторых случаях производить закалку окончательно готовых деталей без шлифования.
Четвертым преимуществом является существенное уменьшение затрат электроэнергии на нагрев: нагреваемый слой во многих случаях составляет небольшую часть от массы детали. Кроме того, индукционная поверхностная закалка отличается очень высокими удельными мощностями, выделяемыми в нагреваемом слое, что обеспечивает очень короткое время процесса.
В настоящее время индукционная поверхностная закалка – наилучший способ закалки с поверхностным нагревом вы серийном и массовом производстве, так как она обеспечивает высокое качество продукции и дает наиболее стабильные результаты по сравнением с другими методами поверхностной закалки.
Далее закаленный инструмент возвращается на заводы фирмы Parma Stamp, где собранный в заданные длины, подвергаются финишной обработке в чистовые размеры на плоскошлифовальных станках, при этой технологической операции получают все необходимые радиусы на матрицах и пуансонах. Предприятия фирмы Parma Stamp оборудовано высокоточными длинномерными (до 12 метров) плоскошлифовальными станками с горизонтальным шпинделем и креплением детали как обычными захватами, так и с креплением детали на магнитной плите. Станки обеспечивают точность обработки деталей с отклонением от параллельности на длине 300 мм – 0,005 мм и шероховатость поверхности – Ra 0.63 мкм. Все припуски на обработку составлены таким образом, чтобы после финишной шлифовки глубина закалки составляла 2 … 3 мм.

 

 

Рис. 17 Чистовая шлифовка матрицы и пуансона на автоматическом шлифовальном станке

Далее инструмент поступает на участок комплексного контроля, где производится проверка качества всех ранее совершенных технологических операций на соответствие изготовленного инструмента требованиям заказчика.

 

 

Рис. 18 Контроль глубины и значения закалки

Рис. 19 Маркировка

Инструмент, признанный годным, маркируется и упаковывается в специальные деревянные ящики предотвращающие деформацию и коррозию инструмента в процессе транспортировке к клиенту.

 

 

Рис. 19 Упаковка инструмента.

Региональные дилеры работающие в 14 европейских странах мира проходят техническое обучение для того чтобы профессионально сопровождать своих клиентов на всех стадиях формирования заказа, изготовления инструмента и последующего контроля за его качественной работой.

Список использованной литературы:

1. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. — 6-е изд., перераб., и доп.—Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1979.

2. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. Учебник для вузов по специальностям «Машины и технология обработки металлов давлением» и «Обработка металлов давлением». М.: Машиностроение, 1989.

3. Сторожев Н.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977

4. Корсаков В.Д. Справочник мастера по штампам. М.: Машиностроение, 1972.

5. И. Артингер. Инструментальные стали и их термическая обработка. Справочник. Перевод с венгерского В.П. Романова и Б.В. Климова под ред. д.т.н. Л.С. Кремнева. М.: Металлургия, 1982.

6. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4 Листовая  штамповка / Под ред. А. Д. Матвеева; Рецензент тома д-р техн. наук В. И. Ершов. М.: Машиностроение, 1985—1987.

Сopyright © 2007
Все права защищены
Санкт-Петербург, Домостроительная ул., д. 2, офис 320 телефон: +7 812 449-27-21
карта проезда
карта сайта