Принципи конструювання штампів
| № № | Основні вимоги до конструкцій штампів | Принципи конструювання, що задовольняють заданим вимогам |
| Соціальні Забезпечення безпеки праці | Принцип безпечності | |
| 2.1 2.2 | Технічні Забезпечення надійності та стійкості штампа Підвищення точності деталей | Принцип зменшення робочих навантажень Принцип зниження локальних напружень Принцип розширення осередку пластичної деформації Принцип стабільності налагодження інструмента |
| 3.1 3.2 3.3 | Економічні Зменшення габаритних розмірів штампа Зниження вартості виготовлення (метало- та трудомісткості) Підвищення продуктивності праці | Принцип компактності Принцип технологічності Принцип відповідності типу виробництва |
Нижче розкрита сутність зазначених принципів і наведені приклади їхньої реалізації при конструюванні.
Принцип безпечності. Це один з найважливіших принципів, оскільки він пов'язаний з виконанням соціальних вимог. Якщо він не буде дотриманий, то конструктору штампа доведеться мати справи з прокуратурою. Це дуже неприємна і небезпечна справа. Для реалізації цього принципу в штампі передбачають систему блокувань, які зупиняють прес, якщо зламався пуансон, застрягла деталь або застопорився який-небудь із механізмів подачі заготованок. Крім того, обов'язковими є кожухи, що обгороджують штамп, захисні екрани з прозорих матеріалів, засоби захисту рук робітника. Деякі рекомендації із цього питання дані в роботах [25; 59].
Принцип зменшення робочих навантажень. Раціональним вибором технологічних переходів, схеми штампа (зокрема, кількості позицій і послідовності їхнього розташування, способу направлення й центрування пуансона), а також конструктивних параметрів пуансонів і матриць можливо суттєво зменшити навантаження на робочі елементи штампа. Наприклад, у штампах для видавлювання зміна форми голівки пуансона дозволяє на 5…20% знизити силу деформації; у штампах для розділових операцій листового штампування скіс різальної крайки пуансона або матриці дозволяє знизити силу деформації аж на 30…50%.
Конструктивними заходами створюється сприятлива схема напруженого стану важко навантажених робочих деталей, а також формується раціональний цикл їхньої роботи. Наприклад, добре відомі прийоми бандажування й оптимізації конструкцій матриць [12; 18; 55; 60; 64 і ін.]. Однак, як показано в розділі 1.5, довговічність пуансона визначається не стільки осьовим зусиллям, скільки всією системою навантажень, що діють на пуансон. При зворотному видавлюванні деталей типу стаканів, а також при комбінованому видавлюванні у виробничих умовах вісь пуансона не збігається з віссю матриці через навмисну або ненавмисну неспіввісність. Це викликає порушення осьової симетрії плину металу в осередку деформації, що призводить до появи системи навантажень на пуансон. У наших роботах (наприклад [??] показано, що раціональним вибором висоти калібрувального пояска lk і довжини робочої частини пуансона lр можна одержати σроб → min, тобто забезпечити найкращі умови роботи пуансона й максимальну його довговічність. Напруження σроб досягає мінімуму в тому випадку, коли неспіввісність пуансона та матриці δ наближається до 0, тобто коли навмисна або ненавмисна неспіввісність відсутня. До таких умов роботи варто прагнути при видавлюванні вісесиметричних та циліндричних деталей. Ці умови можна створити конструктивними заходами (вибравши надійну систему направлення й центрування пуансона), а також технологічними (виконавши оброблення штампа з необхідною точністю). Використання принципу зменшення робочих навантажень дає особливо відчутні результати у випадку конструювання складних штампів [6].
Підкреслимо, що принцип зменшення робочих навантажень означає не тільки зменшення абсолютного значення сили, що діє на інструмент, але й зниження інтенсивності напружень σi у деформуючому інструменті. Наприклад, при видавлюванні порожнин з донними виступами майстер-пуансони виходили з ладу після перших же циклів навантаження. Руйнування відбувалося уздовж твірної під дією радіальних напружень. Раціональною зміною форми пуансона (зовнішню поверхню зробили конічною) змінили схему напруженого стану так, що напруження в пуансоні σθ стало стискаючим. У результаті вдалося різко знизити σi і виключити руйнування.
Нарешті, звернімо увагу на те, що робочі навантаження варто зменшувати з урахуванням форми циклу напружень, що діють у робочих деталях. У розділі 9.4 показано, що довговічність пуансонів для видавлювання деталей типу стаканів визначається зусиллям витягання пуансона з деталі Fвит,Це пов'язане з тим, що Fвит сильно впливає на швидкість розповсюдження тріщини. Опори пуансонів і виштовхувачів, вставанки матриць та інші деталі, що працюють в умовах циклічного навантаження, також чутливі до дії напружень розтягування. Отже, у багатьох випадках, наприклад, при оптимізації конструктивних параметрів голівки пуансона, необхідно домагатись насамперед зменшення сили розтягування (зусилля втягання пуансона з виготовленої деталі Fвит).
Принцип зниження локальних напружень. Численні факти підтверджують, що концентрація напружень у робочих деталях штампів – один з основних чинників, що визначають їхню стійкість. Тому важливе завдання конструювання полягає в тім, щоб у максимальному ступені знизити концентрацію напружень в усіх деталях штампа, особливо таких, які розташовані по лінії дії деформуючої сили: у верхній плиті, опорі пуансона, пуансоні, матриці, виштовхувачі, опорі виштовхувача, нижній плиті. Частково ці питання розглянуті в розділі 7. Більш детально вони розглянуті в розділі, який присвячений параметричній оптимізації.
Принцип розширення осередку пластичної деформації. Цей принцип детально описаний у статті [??]. Суть його полягає у тому, що розширення осередку пластичної деформації може відчутно зменшити силу деформації, а через те й навантаження на інструмент.
Принцип стабільності налагодження інструмента. Одне з головних завдань конструювання штампа полягає в тому, щоб забезпечити точність направлення й центрування інструмента в процесі роботи штампа, тобто під навантаженням. Для цього необхідно забезпечити високу вертикальну й горизонтальну жорсткість стиків у місцях установлення пуансона, пуансонотримача, матриці, матрицетримача, колонок, втулок. Деталі штампів (особливо для об’ємного штампування!) працюють під дією значних зосереджених навантажень, що викликає значні пружні деформації. Наприклад, пуансон для холодного видавлювання довжиною 100 мм пружно коротшає на 1 мм, а прогин плит становить 0,5...0,8 мм і більше. Деякі преси для холодного штампування мають невдало сконструйовані столи та підштампові плити (із дуже великими центральними отворами). Це призводить до зменшення вертикальної жорсткості, значному погіршенню роботи плит штампів, їхньому вигину. У результаті спостерігаються вигин колонок і втулок, порушення центрування інструмента й різке зниження його стійкості. Щоб запобігти вигину базових деталей, що виконують функції направлення й центрування (особливо в штампах для видавлювання та об’ємного штампування), запропоновані нові схеми штампів із трьома й чотирма плитами (наприклад, такі, як показані на рис. 10.3) [25; 36; 59]. Десятилітній досвід експлуатації штампів із чотирма плитами [25] і експериментальні дослідження [36] показали, що такі конструкції характеризуються високою точністю, надійністю й довговічністю. Згідно даним наших досліджень горизонтальна жорсткість штампів визначається головним чином жорсткістю системи пуансон – пуансонотримач – верхня плита штампа. Найбільш високу горизонтальну жорсткість має пуансонотримач Р. Моргана [64], удосконалений працівниками нашої кафедри [25]. Пуансонотримачі фланцевого типу мають найменшу жорсткість. Важливо відзначити, що садіння пуансона у пуансонотримач H7/m6 характеризується значно більш високою жорсткістю, ніж садіння H7/h6.
Принцип компактності. Компактність штампа дозволяє знизити його металомісткість. Однак головний ефект від дотримання цього принципу досягається в тому випадку, коли конструюється багатопозиційний штамп. Наприклад, в процесі конструювання чотирипозиційного штампа-автомата для штампування барабана гальма задньої втулки дорожнього велосипеда нам довелося зштовхнутися з наступною проблемою. Кругова послідовність позицій і розрахункові розміри матричних блоків, і кілець для їхнього кріплення (матрицетримачів) обумовлювали призначення таких габаритних розмірів, при яких штамп не вписувався в штамповий простір преса, який підходить по зусиллю. З метою зменшити габаритні розміри матричних блоків і одержати компактне їхнє розташування проаналізовані два варіанти кріплення матриць (рис. 5.5).
а б
Рис. 5.5. Варіанти кріплення змінної матриці:
а – прогоничем через обіймицю; б – гвинтом через
г-подібний притиск
Розрахунком на ЕОМ і методом фотопружності знайдено розподіл напружень в обоймі з отворами для кріплення прогоничами (рис. 5.5, а). Встановлено, що при фіксованих розмірах обойми D і d напруження в небезпечних точках матриці значно змінюються при варіюванні радіуса розташування центрів отворів Rц і числа отворів п. У дослідженні приймали, що умова рівноміцності прогоничів та гвинтів ndб2 = const витримана. Щоб рівень напружень у небезпечних точках був мінімальним, отвори варто розташовувати якнайближче до периферії. Узагальнення розрахункових і експериментальних даних показало, що при 10…12 отворах діаметром d0 = (0,12...0,15) (D – d) і D = 2d найкращий розподіл напружень реалізується, коли Rц=0,5(D – 0,8d0). Однак і в цьому випадку діаметр матричного блоку D не можна брати меншим, чим 5,5dм [27].
Другий варіант (рис. 5.5,б) відповідає більш компактній конструкції. При раціональному розташуванні притисків П міжцентрову відстань (мм) між сусідніми матричними блоками можна суттєво зменшити до D+2s+(5...10) мм. Таке технічне рішення для одного з багатопозиційних штампів дозволило зменшити діаметр розташування центрів шести матриць із 600 до 400 мм. Це дало можливість вільно розмістити штамп у робочому просторі преса КБ0036.
Принцип технологічності. Його суть полягає в тому, що конструкція штампа має забезпечувати підвищення продуктивності праці, зниження витрат і скорочення часу на виготовлення, його технічне обслуговування й ремонт. Згідно з вимогами ДЕРЖСТАНДАРТу 14.202 розрізнятимемо виробничу й експлуатаційну технологічність.
Щоб поліпшити виробничу технологічність, необхідно насамперед спростити оброблення різанням базових деталей. Для цього в конструкціях плит посадкові отвори для пуансонів і матриць необхідно виконувати тільки наскрізними (а не глухими) і застосовувати спільне їхнє розточування в зборі [25; 59]. Опорні елементи (плити, опори пуансонів, матриць, виштовхувачів тощо) необхідно конструювати так, щоб їхні контактні поверхні можна було обробити методом плаского шліфування. Необхідно призначати оптимальну точність розмірів деталей та шорсткість їхніх поверхонь. Особливо це стосується пуансонів. Східчасті матриці для прямого й комбінованого штампування складні для оброблення. Щоб підвищити їхню технологічність, вставанки необхідно виконувати складеними [13; 35; 59; 60; 63; 64; 65].
Важливими показниками виробничої технологічності є питома металоємність і витрата металу. На прикладі робочих частин штампів для видавлювання питому металоємність (як плату за функцію) можна характеризувати показниками:
, 
, (10.2)
де Пп, Пм, – показники питомої металоємності пуансона, й матриці; Mп, Мм, – маси пуансона й матриці; Мр.п , Мд – маси робочої частини пуансона й виготовленої деталі; γм, γд – щільності матеріалу матриці й деталі;
Для деяких пуансонів штампів для видавлювання, що описані у літературі, значення Пп змінюються від 2,8 [11] до 12,5 і більше [13]. Зіставлення цих даних показує, що витрата дефіцитної інструментальної сталі на виготовлення пуансонів однакового призначення може збільшуватися у 3,5...4,5 рази. Варто підкреслити, що збільшення витрати інструментальної сталі не тільки не призводить до підвищення стійкості, але, як правило, стійкість зменшує (див. розділ 2 та рис.7,8). Наш багаторічний досвід показує, що без погіршення властивостей пуансонів показник Пп можна знизити до 3,0…3,5. Це свідчить про значні резерви зниження витрат інструментальної сталі й зменшення трудомісткості виготовлення інструмента. Зіставлення показників Пп і Пм, застосовується для оцінки раціональності конструкцій робочих деталей (пуансона й матриці) і штампа в цілому.
Якщо застосувати першу формулу (10.2) для пуансонів розділових штампів, то тут маємо: Мр.п – маса робочої частини пуансона, тобто маса різальної крайки пуансона, яку можна вважати практично нульовою, а тому Пп →∞. Це означає, що показник питомої металоємності пуансонів для розділових операцій дуже і дуже великий, а тому довжину та діаметр посадкової частини цих робочих деталей розділових штампів треба брати якомога меншою (див. розділ 2 та рис.7,8).
Щоб підвищити експлуатаційну технологічність, необхідно забезпечити швидкозмінність робочого інструмента, передбачити в штампі мінімальну кількість регулювань, легкість заміни елементів (як робочих, так і допоміжних), що вийшли з ладу, та встановлення нових.
В штампах для листового штампування заміни зношених чи зламаних елементів здійснюють під час поточного ремонту штампа. Для цього штамп знімають з преса і передають його на ділянку ремонту.
В штампах для об’ємного штампування заміну інструмента найчастіше здійснюють на місці (штамп не знімають з преса). Для зняття й установки матриць, опор і інших важких великогабаритних деталей треба обов'язково передбачати в них отвори з різзю. Вони необхідні, по-перше, для того, щоб було зручно транспортувати важкі деталі за допомогою рим-прогоничів, а по-друге, зрушити деталь, якщо вона встановлена по перехідному садінню. Довговічність штампа й витрати на його відновлення залежать, зокрема, від того, як зберігаються посадкові поверхні для пуансона й матриці і якою мірою застосовують прості методи контролю їхнього стану. Тому ефективно встановлювати у плити штампа втулки твердістюHRC 40...50 (див. рис. 10.4, позиція 17) [25].
Принцип відповідності виробництву. В умовах масового виробництва штамп має бути вузькоспеціалізованим, переважно багатопозиційним, з убудованими засобами автоматизації або механізації [25; 59]. Використання декількох позицій (звичайно двох-чотирьох) дає можливість раціонально розподілити деформацію по переходах, одержати більш точні деталі й знизити навантаження на інструмент. Однак, якщо потрібні міжопераційні відпали, повторне підготування поверхні (наприклад, фосфатування в процесах холодного видавлювання) й інші допоміжні операції, то доцільно конструювати автоматизовані однопозиційні штампи й установлювати їх на обладнання, яке включене в потокову або автоматичну лінію.
Для серійного багатономенклатурного виробництва необхідно конструювати універсально-переналагоджува-льні штампи, в яких за допомогою різних змінних пакетів або навіть окремих змінних деталей (пуансонів, виштовхувачів, матриць) можна виготовляти кілька найменувань і розмірів однотипних деталей (застосовувати так звані групові методи [59]). Застосування таких штампів дозволяє прискорити підготовку виробництва й знизити витрати на оснащення.