Штампи для листового штампування
ВСТУП
В умовах ринкових відносин технічна підготовка студентів економічних спеціальностей займає особливе місце серед дисциплін, що читаються, у процесі їхнього навчання. Сучасне виробництво потребує від фахівців економічних спеціальностей не тільки фундаментальних знань з економіки, але і знання основ техніки і технології.
Сучасний економіст повинен активно брати участь в організації виробництва, у тому числі і у створенні нових і удосконаленні існуючих технологічних процесів.
Курс "Системи технологій", що читається кафедрою техніки і технології і спрямований на досягнення цих цілей.
Виконуючи самостійну роботу з цього курсу, студенти закріплюють свої теоретичні знання і набувають практичні навички стосовно розробки технологічних процесів. При цьому вони використовують і економічні знання при виборі оптимальних операцій процесу.
I. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ ПО РОЗРОБЦІ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ЛИСТОВОГО ШТАМПУВАННЯ
1.1. Операції листового штампування
Під технологічним процесом (ДСТ 3.1109-88) розуміють частину виробничого процесу, що містить дії по зміні і наступному визначенні стану предмета виробництва. Обробка тиском – частина технологічного процесу (за методом виконання), що полягає в пластичному деформуванні або поділі матеріалу заготовки без утворення стружки.
Листове штампування – один з видів обробки тиском. Воно здійснюється за допомогою штампа і, як правило, застосовується для виготовлення деталей (виробів), у яких товщина матеріалу незрівнянно мала в порівнянні з їхніми габаритними розмірами (лист, кутовий прокат і т. п.). У технологічній документації і практиці листового штампування застосовуються два споріднені терміни: «штампувальна операція» і «технологічна операція». Термін «штампувальна операція» відображає сутність виконуваного процесу обробки тиском. Термін «технологічна операція» відображає закінчену частину технологічного процесу, виконувану на одному робочому місці.
Листове штампування включає дві групи штампувальних операцій (ДСТ 18970-88): розділові (рис. 1) і формозмінні (рис. 2). Розділова операція – обробка тиском, у результаті якої одна частина заготовки відокремлюється від іншої за заданим контуром. Формозмінна операція – обробка тиском, у результаті якої заготовці шляхом пластичної деформації матеріалу надається задана форма.
До розділових відносяться штампувальні операції, в основі яких лежить процес зрушення матеріалу: відрізка (рис. 1, а) – повне відділення частини заготовки по незамкнутому контуру; розрізка (рис 1, б) – поділ заготовки на частини по незамкнутому контуру; вирубка (рис. 1, в) – повне відділення заготовки або деталі від листової заготовки або профільного матеріалу по замкнутому контуру; пробивання (рис. 1, г) – утворення в заготовки наскрізних отворів і пазів із видаленням матеріалу у відхід; обрізка (рис. 1, д) – видділення припусків; нарізка (рис. 1, е) – неповне відділення частини заготовки; зачищення (рис. 1, ж) – видалення припусків шляхом зняття стружки для одержання підвищених класів шорсткості поверхні і точності деталі. Крім перерахованих, до розділових відноситься також операція «проколка», хоча вона і містить елементи формозміни матеріалу. Проколка (рис. 1, з) – утворення наскрізних отворів у листовій заготовки без видалення матеріалу у відхід.
До формозмінних відносяться наступні основні операції: гнуття (рис. 2, а) – утворення або зміна кутів між частинами заготовки або додання їй криволінійної форми; скручування (рис. 2, б) – поворот частини заготовки навколо подовжньої осі; закачування (рис. 2, в) – утворення закруглених бортів на краях плоскої або порожньої заготовки; витяжка (рис. 2, г) – утворення порожнинної заготовки або деталі з плоскої або порожньої листової заготовки; витяжка з утонченням (рис. 2, д) – витяжка з заданим утонченням стінок; відбортовка (рис. 2, е) – утворення борту по внутрішньому або зовнішньому контуру листової заготовки; роздача (рис. 2, ж) – збільшення периметра поперечного розрізу порожнинної заготовки; обтиск (рис. 2, з) – зменшення периметра поперечного розрізу заготовки; рельєфне формування (рис. 2, і) – утворення рельєфу в листовій заготовці її місцевим деформуванням; рельєфне карбування (рис. 2, к) – утворення рельєфних зображень на матеріалі; керновка (рис. 2, л) – рельєфне карбування крапкових поглиблень; виправлення (рис. 2, м) – усунення перекручувань форми заготовки шляхом пластичного деформування.
Рис.1. Розділові операції листового штампування
Рис. 2. Формозмінні операції листового штампування
Закінчена частина технологічної операції, що характеризується сталістю застосовуваного інструменту і поверхонь, що одержані після обробки, називається технологічним переходом. Стосовно до листового штампування змістом переходу є одна штампувальна операція. Оскільки в штампі може виконуватися кілька штампувальних операцій, здійснюваних послідовно або одночасно, у тому чи іншому випадках одна технологічна операція поєднує (за часом і за змістом) кілька штампувальних операцій – переходів. При виконанні в штампі однієї штампувальної операції технологічна операція включає одну штампувальну операцію – перехід, збігаючись із нею за часом і змістом.
У результаті виконання штампувальних операцій у заготовках 
утворяться різні штамповані елементи, сполучення яких забезпечує одержання заданих деталей. У практиці листового штампування найбільш часто використовують наступні штамповані елементи: внутрішній прямий кут; прямолінійна фаска; внутрішній прямокутний паз; круглий отвір; прямокутний або фігурний, близький до прямокутного, отвір; дуга 180о; дуга 90о; згин; нормальна, кутова, тарілчата або глуха відбортовка; випуклий або вігнутий борт; рифт й ін.
Параметри перерахованих штампованих елементів, що забезпечують їхню технологічність, установлену відповідними ДСТ і іншими галузевими нормативними матеріалами (наприклад, ДСТ 17040-80, ДСТ 23292-78…ДСТ 23301-78). Дотримання конструкторами виробу зазначених параметрів забезпечує уніфікацію елементів деталей і можливість застосування універсального оснащення.
Штампи для листового штампування
Штампи листового штампування класифікують за багатьма ознаками. Основними з них можна виділити наступні: призначення, технологічність і універсальність застосування. За ознакою призначення штампи класифікують відповідно до перерахованих вище штампувальних операцій. За технологічною ознакою (ДСТ 15830-85) розрізняють штампи простої, комбіної (сумісної) і послідовної дій.
Штамп простої дії виконує одну або кілька однойменних операцій у межах переміщення матеріалу або заготовки за один хід рухомої частини штампа. Штамп простої дії може виконувати кожну з наведених на рис. 1 і 2 штампувальних операцій.
Штамп сумісної дії виконує різнойменні операції або переходи в межах одного кроку подачі матеріалу або заготовки за один хід рухомої частини штампа. Він виконує будь-які сумісні операцій, зазначені на рис. 1 і 2.
Штамп послідовної дії виконує кілька операцій або переходів за кілька кроків подачі матеріалу або заготовки і відповідне число ходів рухомої частини штампа.
Рис. 3.Штамп послідовної дії
На рис. 3 наведений багатоопераційний штамп послідовної дії для виготовлення шайб зі смуг. У ньому за один хід повзуна преса виконуються дві операції: пробивання отвору в одній деталі і вирубка контуру іншої деталі. Нижня плита штампа 8 болтами прикріплена до столу, а верхня 1 за допомогою хвостовика 2 – до повзуна преса. На нижній плиті в матрицеутримувачі 9 установлені матриці 11, а на них – дві направляючі пластини 14 і 3. На верхній плиті за допомогою пуансноутримувача 4 закріплені пуансони: пуансон пробивання 6 і пуансон вирубки 5. Точне з'єднання робочих деталей штампа в процесі руху повзуна преса вниз забезпечується направляючими колонками 13 і направляючими втулками 12. Стовпчики закріплюються в нижній плиті.
Робочі деталі штампів, тобто пуансони і матриці, виготовляються зі сталей марок У9А, Х12М, 7ХГ2ВМ, що після термічної обробки (гартування і відпустку) забезпечують твердість НRС58-62.
Стосовно самого процесу листового штампування, то він здійснюється в такий спосіб. Смуга 7 подається за матрицею в зазор під знімач і коли верхня частина штампа опускається, пуансон вирубки 5 і пуансон пробивання 6 входять одночасно у відповідні отвори матриці виконуючи обидві операції: вирубки і пробивання. При цьому матеріал смуги щільно охоплює пуансони і при підйомі повзуна знімачем 3 скидається з них. Перед наступним робочим ходом повзуна смуга подається до упору 10.
Штампи сумісної дії застосовують для виконання за один робочий хід преса двох, трьох і більше операцій. У штампі (рис. 4) в нижній плиті 1 кріплять матрицю вирубки 2, у якій міститься притиск 3, що увесь час утримується стрижнями 11 із пружинами в крайнім верхнім положенні. У нижній плиті нерухомо закріплений пуансон витяжки 4.
Технологічний процес листового штампування з застосуванням штампа сумісної дії здійснюється в такий спосіб.
Рис. 4. Штамп сполученої дії
Смуга 5 просувається вперед у напрямку подачі до упора 10. При робочому ході пуансон вирубки 9 (він же є матрицею витяжки), що прикріплюється у верхній плиті 7 за допомогою пуансоноутримувача 8, натискає на смугу і, утоплюючи притиск 3 у матрицю вирубки, здійснює вирубку заготовки. При опусканні пуансона вирубки 9 разом із притиском 3 відбувається витяжка ковпачка пуансоном 4, оскільки останній закріплений у нижній плиті 1 нерухомо. У цьому випадку пуансон вирубки з осьовим отвором служить матрицею витяжки. До кінця робочого ходу процес витяжки ковпачка закінчується. При зворотному ході повзуна, а разом з ним верхньої плити і матриці витяжки деталь викидається з матриці витовкувачем 6.
У багатоопераційних штампах поряд із пробиванням і вирубкою здійснюються також операції вигину, витяжки, відбортовки й ін.
У дрібносерійному виробництві широко використовуються універсальні штампи зі змінними пуансонами і матрицями, що легко переналагоджуються на виготовлення різних деталей, тобто, застосовується система гнучкого виробництва.
1.3. Розкрій матеріалу
Технологічний процес листового штампування включає технологічні операції, у результаті виконання яких відбувається поступове перетворення основного матеріалу в готові вироби (деталь).
Виріб – це одиниця промислової продукції, кількість якого може обчислюватися в штуках і екземплярах. Готові вироби в листовому штампуванні одержують у результаті виконання останньої штампувальної операції, передбаченої технологічним процесом (у результаті виконання проміжних штампувальних операцій одержують напівфабрикат).
Матеріал вихідної заготовки, тобто заготовки, поступаючої на першу технологічну операцію, називають основним. Заготівля – предмет виробництва, з якого зміною форми, розмірів, якості поверхні виготовляють виріб. Стосовно до листового штампування, основний матеріал у виді листів, рулонів з чорних і кольорових металів розкроюється на смуги, карти і т. п., що є початковими заготівлями. Останні надходять до штампу, що виконує першу технологічну операцію листового штампування.
При розробці технологічного процесу виготовлення деталей варто прагнути до зменшення втрат металу в листовому штампуванні. Основним відходом при листовому штампуванні є так звана висічка, тобто частина листової заготовки після її вирубки. Форми і розміри заготовки, що вирубується, визначаються формою і розмірами деталі, а також застосованими в процесі штампування формозмінними операціями.
При штампуванні мало- і середньогабаритних деталей зазвичай з однієї листової заготовки вирубують кілька плоских заготовок для штампування. Між суміжними контурами заготівель, що вирубуються, звичайно залишають перемички, шириною приблизно рівні товщині заготовки, хоча в окремих випадках суміжні заготовки вирубують без перемичок (економія металу при погіршенні якості зрізу і зниженні стійкості інструменту). Розташування контуру суміжних заготівель, що вирубуються, на листовому металіназивається розкроєм. Тип розкрою варто вибирати за умови зменшення відходу металу у висічку. Приклади розкрою металу наведені на рис. 5 для: I – прямого; II – похилого; III – зустрічного; IV – комбінованого; V – багаторядного; VI – з вирізкою перемички; 1 – перемичка.
Рис. 5. Приклади розкрою матеріалу з перемичками (а)
і без перемичок (б)
Як основний матеріал для листового штампування найбільш широко застосовують листи, смуги, стрічки, фасонний прокат. При заданих параметрах, що випливають із конструкції і розмірів штампованої деталі (товщини, напрямку, волокон і т. п.) і частково визначального сортименту основного матеріалу, остаточний його вибір здійснюють на підставі економічного аналізу можливих варіантів і визначення оптимального.
Як критерій оптимальності приймається коефіцієнт використання матеріалу:
Квм= ПFд/ Fл, (1)
де П – кількість деталей;
Fд – площа деталей;
Fл – площа листа.
Кількість деталей П визначають графічно, аналітично і шляхом розрахунку на ЕОМ таким чином, щоб одержати найменше значення норми витрати. При цьому можливі два принципових методи пошуку оптимального розкрою: 1) технолог має у своєму розпорядженні можливість вибору основного матеріалу (листи з різними габаритними розмірами, смуги різної ширини при одній і тій же товщині і марці матеріалу); 2) технолог обмежений визначеними розмірами вихідного матеріалу і повинен знайти оптимальний варіант тільки за рахунок різного розташування заготовки на площині смуги, смуги на площині й т. д.
Пошук оптимального варіанта розкрою і розрахунок коефіцієнта використання матеріалу виконують у такій послідовності. Спочатку приймають принципове рішення про застосування безвідхідного, маловідхідного розкрою або розкрою з відходами. Дане рішення залежить від необхідної точності деталі, ступеня складності її форми, товщини матеріалу. Після цього, якщо прийнято рішення про штампування з відходами, визначають величину перемичок залежно від габаритних розмірів заготовки, виду і товщини матеріалу (табл. 1, 2, 3). Далі вибирають тип розкрою: прямий, похилий, зустрічний, комбінований. При цьому враховують фактори, обумовлені можливістю геометричного розміщення заготівель на площині смуги і конструктивним виконанням штампу залежно від відносного розташування пуансонів, упорів і т. п.
Таблиця 1
Розміри перемичок a/b при штампуванні м'якої сталі
| Товщина матеріалу, S | Мінімальна ширина перемичок при вирубці заготовок, мм | ||||||||
| Круглих і овальних за діаметром | Прямокутних з найбільшим розміром | ||||||||
| до 50 | більше 50 до 100 | більше100 до 200 | більше 200 | до 50 | більше 50 до 100 | більше 100 до 200 | більше 200 до 300 | більше 300 | |
| До 0,2 | 2,0/1,5 | 2,2/1,7 | 2,5/2,0 | 2,8/2,2 | 2,5/2,0 | 3,0/2,5 | 3,5/3,0 | 4,0/3,5 | 5,0/3,8 |
| Більше 0,2 до 0,5 | 1,5/1,2 | 1,7/1,4 | 1,9/1,6 | 2,2/1,8 | 1,8/1,5 | 2,0/1,7 | 2,5/2,2 | 3,0/2,7 | 4,0/3,0 |
| Більше 0,5 до 1,0 | 1,2/0,8 | 1,4/1,0 | 1,6/1,2 | 1,8/1,4 | 1,5/1,0 | 1,7/1,2 | 2,2/1,7 | 2,7/2,2 | 3,5/3,0 |
| Більше 1,0 до 1,5 | 1,5/1,1 | 1,7/1,3 | 1,9/1,5 | 2,1/1,7 | 1,9/1,4 | 2,1/1,6 | 2,6/2,1 | 3,1/2,6 | 3,5/3,0 |
| Більше 1,5 до 2,0 | 1,9/1,5 | 2,1/1,7 | 2,3/1,9 | 2,5/2,1 | 2,2/1,7 | 2,4/1,9 | 3,0/2,5 | 3,4/2,9 | 4,0/3,5 |
| Більше 2,0 до 2,5 | 2,3/1,8 | 2,5/2,0 | 2,7/2,2 | 2,9/2,4 | 2,6/2,2 | 2,8/2,4 | 3,3/2,9 | 3,8/3,4 | 4,0/3,5 |
| Більше 2,5 до 3,0 | 2,6/2,1 | 2,8/2,3 | 3,0/2,5 | 3,2/2,7 | 3,0/2,5 | 3,2/2,7 | 3,7/3,2 | 4,2/3,7 | 4,5/4,0 |
| Більше 3,0 до 3,5 | 3,0/2,5 | 3,2/2,7 | 3,4/2,9 | 3,6/3,1 | 3,4/2,9 | 3,6/3,1 | 4,1/3,6 | 4,6/4,1 | 5,0/4,5 |
| Більше 3,5 до 4,0 | 3,3/2,8 | 3,5/3,0 | 3,7/3,2 | 3,9/3,4 | 3,7/3,2 | 3,9/3,4 | 4,4/3,9 | 4,9/4,4 | 5,0/4,5 |
| Більше 4,0 до 4,5 | 3,6/3,1 | 3,8/3,3 | 4,0/3,5 | 4,2/3,7 | 4,0/3,6 | 4,2/3,8 | 4,7/4,3 | 5,2/4,8 | 6,0/5,0 |
| Більше 4,5 до 5,0 | 4,0/3,4 | 4,2/3,6 | 4,4/3,8 | 4,6/4,0 | 4,5/4,0 | 4,7/4,2 | 5,2/4,7 | 5,7/5,2 | 6,0/5,0 |
| Більше 5,0 до 6,0 | 4,2/3,5 | 4,5/3,9 | 4,8/4,2 | 5,0/4,5 | 4,5/4,0 | 5,5/4,5 | 5,5/4,5 | 6,0/5,0 | 6,5/5,5 |
| Більше 6,0 до 7,0 | 4,5/3,6 | 5,0/4,2 | 5,5/4,2 | 6,0/4,5 | 4,8/4,3 | 6,0/5,0 | 6,0/5,0 | 6,5/5,5 | 7,0/6,0 |
| Більше 7,0 до 8,0 | 5,0/4,2 | 5,5/4,5 | 5,8/4,8 | 6,0/5,0 | 5,3/4,8 | 6,5/5,5 | 7,0/6,0 | 7,8/6,8 | 7,5/6,5 |
| Більше 8,0 до 9,0 | 5,5/4,5 | 6,0/5,0 | 6,3/5,2 | 6,5/5,5 | 5,8/5,3 | 7,0/6,0 | 7,5/6,5 | 8,0/7,0 | 8,0/7,0 |
| Більше 9,0 до 10,0 | 6,0/5,0 | 7,0/6,0 | 7,5/6,5 | 8,0/7,0 | 6,3/5,8 | 7,0/6,0 | 7,5/6,5 | 8,0/7,0 | 9,0/8,0 |
Рис. 6. Приклад позначення перемичок
Примітка: Для інших матеріалів табличні значення перемичок варто помножити на коефіцієнт:
для сталі (середньої твердості і твердої) – 0,8–0,9;
для бронзи (катаної і латуні) – 1,0–1,2;
для дуралюмінію – 1,0– 1,2;
для міді й алюмінію – 1,2–1,3;
для магнієвих сплавів – 1,5–2,0;
для титанових сплавів ВТ1 без підігріву і ВТ5 з підігрівом – 1,2–1,3;
для титанового сплаву ВТ5 без підігріву – 1,5–2,0;
для м'яких неметалічних матеріалів (шкіра, папір, картон та ін.) – 1,5–2,0.
Таблиця 2
Допуски на ширину смуг
| Товщина матеріалу | Ширина смуги | ||||
| до 50 | Більше 50 до 100 | Більше 100 до 150 | Більше 150 до 200 | Більше 220 до 300 | |
| До 1,0 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 |
| Більше 1,0 до 2,0 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
| 2,0 до 3,0 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 |
| 3,0 до 5,0 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 |
| 5,0 до 10,0 | 1,8 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 4,0 |
Таблиця 3
Допуски на ширину стрічки
| Товщина матеріалу | Ширина стрічки | |||||
| Нормальна точність | Підвищена точність | |||||
| до 100 | Більше 100 до 300 | Більше 300 | до 100 | Більше 100 до 300 | Більше | |
| До 0,1 | 0,10 | 0,15 | 0,25 | 0,05 | 0,08 | 0,15 |
| Більше 0,1 до 0,63 | 0,20 | 0,30 | 0,40 | 0,10 | 0,15 | 0,25 |
| 0,63 до 1 | 0,30 | 0,40 | 0,50 | 0,20 | 0,25 | 0,35 |
| 1 до 3,6 | 0,40 | 0,50 | 0,60 | 0,30 | 0,35 | 0,45 |
Визначивши оптимальне розташування заготовки на площині смуги (як при штампуванні з відходами, так і без відходів), розраховують ширину смуги. При цьому, якщо намічено проектувати штамп із боковим притиском смуги, її ширину обчислюють за формулою (рис. 6):
, 
(2)
де 
- допуск на ширину смуги (мінусовий).
Якщо ж передбачається проектувати штамп із вільним переміщенням смуги між направляючими планками, то її ширину визначають по формулі:
(3)
де 
- гарантований зазор між направляючими штампа і смугою при її найбільшій ширині.
Значення допуску для стандартизованих смуг і стрічок приймають за відповідним ДСТ на сортамент матеріалів. При розкрої листа на смуги з застосуванням ножиців допуск 
приймають за табл. 2, гарантований зазор за табл. 4.
Розрахунок ширини смуги при штампуванні в штампі з ступеневими ножами варто виконувати за формулами (1, 2) і збільшувати ширину смуги додатково на величину кромки, яка обрізається ножами. Кромку, обрізану одним ножем, приймають рівну перемичці а для відповідних розмірів прямокутної деталі.
Таблиця 4
Значення гарантованого зазору Спри
штампуванні без бокового притиску смуги, мм
| Ширина смуги | Для розкрою | |
| Однорядного | Зустрічного | |
| До 100 | 0,5–1,0 | 1,5–2,0 |
| Більше 100 | 1,0–1,5 | 2,0–3,0 |
За розрахованою шириною смуги визначають кількість смуг, одержуваних з листа з заданими розмірами, а за довжиною смуги і ступеня вирубки 
– кількість заготовок, одержуваних зі смуги. Потім обчислюють загальну кількість заготовок П, одержуваних з листа, норму витрати матеріалу і коефіцієнт його використання.
Зазначений вище процес обчислення коефіцієнта використання металу може повторюватися багаторазово, поки не буде знайдений оптимальний варіант розкрою з найбільшим коефіцієнтом використання матеріалу.
Після будь-якого, навіть найвигіднішого варіанта розкрою, залишаються відходи листа основного матеріалу, які можна використовувати для штампування інших деталей за таких умов:
1) деталь, виготовлена з відходів, повинна належати тому ж виробові, якому належить основна деталь. Інакше при припиненні випуску основної деталі виникає необхідність передбачати додаткову витрату матеріалу на виготовлення виробу, якому належить деталь, що раніше виготовлялася з відходів;
2) маса відходів повинна відповідати потрібній кількості матеріалу для забезпечення програми випуску виготовленої з них деталі. Для виготовлення деталі можна використовувати відходи від декількох деталей з урахуванням забезпечення її програми.
1.4. Технологічність деталей для холодного штампування
Під технологічністю розуміють таке сполучення конструктивних елементів, що дозволяє найбільш ощадливо виготовляти деталі в заданих кількостях при дотриманні експлуатаційних вимог до них.
При розробці конструкції деталі звичайно вирішуються завдання:
1. Забезпечення найкращих експлуатаційних якостей проектованої деталі.
2. Створення такої конструкції, що допускала б найбільш раціональні способи виготовлення.
Технологічна конструкція виробу створюється при спільній роботі конструктора і технолога та передбачає:
1. Найбільш сприятливу форму виробу для того, щоб спростити процес штампування, забезпечити малу трудомісткість виготовлення і мінімальну витрату металу, знизити вартість і підвищити стійкість штампів.
2. Правильний вибір металу за товщиною і фізико-механічними властивостями.
3. Відповідність установлених допусків на розміри виробу технологічно й економічно досяжної точності штампування.
Варто мати на увазі, що перераховані вище фактори не можна розглядати у відриві від конкретних виробничих умов і, зокрема, від обсягу виробництва.
Мала трудомісткість досягається за рахунок скорочення операцій, застосування багаторядного штампування, збільшення продуктивності штампів, застосування автоматизації і створення потокових ліній штампування. Застосування більш дорогих штампів мало впливає на собівартість продукції при крупносерійному і масовому виробництві, тому що їхня вартість розподіляється на велику кількість виробів. При дрібносерійному виробництві, навпаки, вартість штампів має значну питому вагу в собівартості, а тому застосування спрощених і універсальних штампів є більш доцільним і вигідним навіть при підвищенні витрати матеріалу і трудомісткості виготовлення.
Зокрема плоскі деталі виготовляють переважно за допомогою операцій різання, пробивання і вирубки. Варто уникати ускладнення форми деталі, тому що чим складніше конфігурація, тим більші труднощі виникають при виготовленні штампів, що приводить до їхнього подорожчання і зменшення стійкості.
Ділянки спряжень елементів контура потрібно округляти дугою окружності з радіусом, рівним не менш половини товщини штампованого матеріалу. Не слід округляти зовнішні контури в деталей, виготовлених на гільйотинних ножицях або у відрізних штампах.
Для виробництва штампованих деталей найбільше значення має технічно здійснена й економічно найвигідніша точність виконання. Занадто жорсткі необґрунтовані допуски лише збільшують вартість виготовлення штампованої деталі і штампів, і, крім цього, зменшують стійкість штампів.
До найбільш важливих критеріїв технологічності плоских деталей варто віднести:
найменші розміри отворів (діаметр, ширина), що пробиваються в штампах без спеціальних направляючих пристроїв для пуансонів;
найменші відстані між отворами, що пробиваються, і між краєм отвору і краєм плоскої деталі;
найменші радіуси сполучення прямокутних ділянок;
відхилення розмірів контура плоских деталей;
точність чистового штампування;
шорсткість поверхні зрізу після розділових операцій.
1.5. Точність штампованих деталей
Точність листових штампованих деталей залежить від великої кількості факторів, що є причиною утворення особливих погрішностей. Але найбільше значення має не гранично припустима точність штампованих деталей, а економічно доцільна точність, під якою розуміють технічно здійсненну й економічно найвигіднішу точність виконання даної операції з обліком гранично припустимого зносу штампа.
Варто пам'ятати, що шорсткість нормальних допусків на 20% може підвищити вартість деталей на 50–80%.
У штампах сумісної дії може бути досягнута підвищена і середня точність штампування (9–12 квалітет), а в штампах послідовної дії – середня і знижена (13–15 квалітет). Щоб підвищити точність плоских деталей до 6–9 квалітет, вводять додаткову операцію зачищення або застосовують чистову вирубку. Шорсткість поверхні зрізу Ra при цьому знаходиться в межах 0,4–1,6.
Гнуттям без притиску можна одержати деталі з точністю розмірів до 14 квалітет. Використання для фіксації заготовки притиску дозволяє підвищити точність до 12 квалітету. За допомогою технологічних баз і додаткового калібрування точність розмірів можна довести до 9–11 квалітет.
При витяжці відхилення розмірів деталі (діаметра або ширини) відповідають 11 квалітетові.
1.6. Основні технологічні розрахунки за операціями різання листового матеріалу на ножицях, вирубки і пробивання
Розрізку листового матеріалу здійснюють на ножицях:
з паралельними ножами;
з похилими ножами (гільйотинними ножицями);
дискових;
вібраційних.
У крупносерійному і масовому виробництвах найбільше поширення одержало різання на гільйотинних і багатодискових ножицях.
1.7. Розрахунок зусиль операцій
Зусилля різання Р (у Н) матеріалу ножицями з паралельними ножами визначають з виразу:
(4)
де к – коефіцієнт, що враховує вплив різних факторів на процес різання у виробничих умовах;
к = 1,1–1,3;
В – ширина смуги або листа, мм;
S – товщина матеріалу, мм;
ср – опір зрізові, МПа.
Величина роботи А (у Дж), затрачуваної при різанні, можна визначити за формулою:
(5)
де l – коефіцієнт, що дорівнює відношенню середнього зусилля відрізки до максимального (табл. 5);
S – у мм;
Р – у Н.
Таблиця 5
Значення коефіцієнта залежно від товщини штампованого матеріалу
| Товщина матеріалу, мм | Коефіцієнт, |
| до 2 | 0,75–0,55 |
| 2–4 | 0,55–0,45 |
| більше 4 | 0,45–0,30 |
Зусилля різання гільйотинними ножицями значно менше, ніж на попередньому типі ножиців, і визначається за формулою:
(6)
де S – товщина матеріалу, мм;
ср – опір зрізові, Мпа (додаток В);
– кут нахилу верхнього ножа, град.: (приблизно 7о);
К = 1,1–1,3.
Затрачувана робота (у Дж) на різання листа дорівнює:
(7)
Де Р – зусилля розрізки, Н;
В – довжина смуги, що відрізається, мм.
Зусилля різання в Н парнодисковими ножицями визначають за формулою:
(8)
де К = 1,1–1,3;
hH – глибина заходу ножів у матеріал, мм;
ср – опір зрізові, Мпа;
– кут захоплення роликових ножиців, град.
Розрахункове зусилля Р (у Н) для розділових операцій (вирубка, пробивання, обрізка, відрізка й ін.), виконуваних у штампах розраховують за формулою:
(9)
де К = 1,1–1,3;
U – периметр поділу матеріалу, мм;
S – товщина матеріалу, мм;
ср – опір зрізові.
Зусилля зняття матеріалу з пуансона визначають за формулою:
(10)
де Кпр – коефіцієнт, що складає в середньому при вирубці на провал 0,05–0,10;
Р – розрахункове зусилля вирубки, Н (кН);
n – кількість деталей, що знаходяться в шийці матриці, n = h–1/S, де h – висота шийки матриці, мм.
Повне технологічне зусилля операції вирубки (пробивання й ін.) залежить від прийнятої схеми штампа – послідовного або сумісного, типу знімача – рухомого або нерухомого та інших факторів.
У загальному виді технологічне зусилля можна обчислити за формулою:
(11)
де РВ і Рпр – відповідно зусилля операцій вирубки і пробивання;
РВпр і Рпрпр – відповідно зусилля проштовхування при операції вирубки і пробивання;
РВсн і Рпрсн – зусилля зняття матеріалу при операції вирубки і пробивання.
1.8. Зазори між пуансоном і матрицею при
розділових операціях
При розділових операціях між ріжучими кромками пуансона і матриці маються зазори. Розмір зазору визначається механічними властивостями і товщиною матеріалу.
Зазор повинен мати оптимальний розмір і забезпечувати досяжну якість поверхні зрізу, найменше зусилля вирубки (пробивання), найбільшу стійкість штампа і достатню точність штампування, що зберігається при тривалій роботі штампа. Існує визначений діапазон розмірів зазорів – між мінімальним значенням Zmin і максимальним Zmax. У зв'язку з тим що в процесі роботи штампа зазор поступово збільшується, розмір розрахункового зазору приймається мінімальним Zmin. Вибір напрямку зазору визначається в такий спосіб. Оскільки розміри деталі, що вирубується, визначаються робочим вікном матриці, то розрахунковим при вирубці є розмір матриці, а розмір зазору призначається за рахунок зменшення розмірів пуансона. При пробиванні отвору його розмір визначається пуансоном, тому розрахунковим є розмір пуансона, а зазор призначається за рахунок збільшення розміру матриці.
Для вирубки і пробивання повинна виконуватися наступна умова:
(12)
де П і М – допуски на виготовлення пуансона і матриці.
Якщо при призначенні табличних допусків ця нерівність не дотримується, ці допуски варто зменшити.
1.9. Розрахунок виконавчих розмірів пуансонів і матриць при вирубці і пробиванні
Зовнішній контур деталей (як і внутрішній контур отворів), що вирубуються, може бути круглої, прямокутної, П-подібної або довільної форми. Допуски на розміри цих контурів можуть бути задані в будь-якій системі, частіше в системі отвору.
У системі отвору розмір, що охоплює, має позитивний допуск, а охоплюваний – негативний. Таким чином, допуск «спрямований у метал».
При визначенні виконавчих розмірів пуансонів і матриць виходять з розмірів штампованого виробу, його точності (допуску на виготовлення матеріалу), характеру зносу штампа, величини технологічного зазору.
Якщо розміри на кресленні не обумовлені допусками, то варто вважати, що на вільні розміри допуски призначаються в системі отвору за 14-м квалітетом точності. Таким чином, на охоплювані розміри деталі допуск призначається по h14, на що охоплюють – по Н14, на міжосьові розміри – по 
При вирубці контуру номінальним розрахунковим розміром матриці буде найменший розмір виробу, а при пробиванні отвору номінальним розрахунковим розміром пуансона буде найбільший розмір отвору.
Розміри пуансона і матриці при вирубці круглого і прямокутного контуру визначаються за формулами:
(13)
(14)
при пробиванні отворів:
(15)
(16)
де DМ, DП – розмір при вирубці відповідно матриці і пуансона;
D, d – номінальні розміри виробу;
, – припуск на знос інструменту;
М і П – допуск на виготовлення відповідно матриці і пуансона;
dМ, dП – розмір при пробиванні відповідно пуансона і матриці.
Припуск на знос , – визначається залежно від необхідної точності штампування деталі: при 0,1 мм , = ; при > 0,1 , = 0,8, де – поле допуску штампованої деталі.
Допуск М беруть по 7 квалітетові (S 4 мм); при S > 4 мм і для великогабаритних деталей М – беруть по 9 квалітетові з посадкою Н9, а допуск на пуансон – відповідно по h6 і h9.
Якщо розміри штампованого елемента для випадку вирубки задані у виді А 
, то їх варто привести до виду (А + )-2 і далі розглядати (А + ) як номінальний і 2 – як його поле допуску. Це ж стосується випадку задання розміру отвору у виді А . Його варто привести до виду (А – )+2.
Розміри можуть бути задані також у виді 
або 
(при 2 > 1). У цьому випадку варто привести їх до виду відповідно (А – 1)-(2–1) і (А + 1)+(2–1) і вважати (А – 1) і (А + 1) номінальними розмірами штампованого елемента, а (2 – 1) – полем їхнього допуску.
При вирубці (пробиванні) деталі П-подібної форми розміри пуансона і матриці з урахуванням зносу штампа можна розділити на три види, що:
збільшуються;
зменшуються;
незмінні.
При вирубці зовнішнього контуру довільної форми всі розміри, зв'язані з виробом, що вирубується, проставляються на кресленні матриці. Ті ж розрахункові розміри матриці, але без допусків, проставляються на кресленні пуансона. У технічних вимогах вказують: «пуансон пригнати по матриці, забезпечивши зазор Zmin =…на сторону».
1.10. Визначення розмірів матриць
Форма і розміри матриці визначаються формою і розмірами штампованої деталі. ДСТ 15861 містить габаритні розміри прямокутних матриць при розмірах робочої зони від 30 х 80 мм до 450 х 280 мм.
Передбачені також матриці круглої форми з робочим розміром до 310 мм (ДСТ 15862).
У випадку великих габаритних розмірів, або коли матриця містить елементи (отвору, щілини) досить малих розмірів, її варто виготовляти секційною – складеною з окремих секцій. Конструкції і розміри прямих секцій матриць штампів передбачені ДСТ 18732 і ДСТ 24526.
Товщину матриць можна визначити за формулою:
(17)
де S – товщина штампованого матеріалу, мм;
Км – коефіцієнт, що залежить від у штампованого матеріалу (табл. 6.);
а, b – розміри отворів робочої зони матриці, мм.
Таблиця 6
Залежність коефіцієнта Км від штампованого матеріалу
| у, МПа | До 120 | 120–200 | 200–300 | 300–500 | 500–1000 | Більше 1000 |
| Км | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,3 | 1,5–2,0 |
Товщину матриці круглої форми визначають за формулою (17), підставивши в неї замість а + b значення 1,75d.
Додатково варто перевірити достатність товщини матриці:
(18)
де Р – необхідне технологічне зусилля штампування, кН.
Після цього приймають більше значення товщини Н і округлюють до найближчого більшого числа з наступного ряду чисел: 16, 20, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 71, 80.
Ширину вирубної матриці визначають за формулою:
(19)
де в – ширина матричного отвору, мм;
Н – товщина матриці, мм.
Орієнтований вибір діаметрів гвинтів і штифтів для кріплення матриці здійснюють за табл. 7. Число гвинтів визначають за умови, що відстань між двома найближчими гвинтами не повинна перевищувати 90 мм. Однак в окремих випадках виникає необхідність деякого відхилення від наведених даних. Число штифтів визначають за умови, що сама матриця (або кожна її окрема частина) повинна фіксуватися двома штифтами.
Таблиця 7
Діаметри гвинтів і штифтів для кріплення матриці
| Найбільший габаритний розмір матриці, мм | Діаметри гвинтів і штифтів при технологічному зусиллі Р, що сприймається матрицею, кН | |||||
| до 500 | 500–1000 | більше 1000 | ||||
| гвинт | штифт | гвинт | штифт | гвинт | штифт | |
| 100–125 | М8 | М10 | – | – | ||
| 125–160 | М10 | М12 | М12 | |||
| 160–250 | М10 | М12 | М12 | |||
| 250–280 | М10 | М12 | М12 | |||
| 280–400 | М12 | М12 | М12 | |||
| більше 400 | М12 | М12 | М16 |
1.11. Вибір кривошипного преса для листового штампування
При виборі преса враховують наступні параметри:
нормальне зусилля, кН;
хід повзуна, мм;
частота ходів повзуна, хв-1;
розміри столу, мм;
найбільша відстань між столом і повзуном у його нижньому положенні, мм;
потужність приводу, кВт;
Номінальне зусилля обраного преса повинне дещо перевищувати технологічне зусилля. Деякий надлишок зусилля проти розрахункового захищає від поломки при випадковому попаданні більш товстої заготовки, що має велике значення при гнутті з калібруванням, рельєфному штампуванню.
II. Порядок виконання роботи на розробку технологічного процесу виготовлення деталі методом холодного листового штампування
1. Одержавши завдання (додаток А), у якому вказується варіант (додаток Б), приводиться креслення деталі (додаток Г) і річна програма кількості виготовлених деталей, варто визначити раціональний спосіб їхнього виготовлення.
2. Проаналізувати, наскільки деталь є технологічною з урахуванням способу її виготовлення.
3. Вибрати листову заготовку залежно від варіанта (додаток Б).
4. Визначити ширину смуги при розрізанні листа. При цьому намічаємо проектування штампа з вільним переміщенням смуги між направляючими планками в період холостого ходу повзуна преса.
5. Намітити розкрій листа при подовжньому і при поперечному його розрізі на смуги.
Відхід Відхід
 | |||
 | |||
Рис. 7. Приклад подовжнього і поперечного розкрою листа
Визначити кількість деталей, розташованих на смугах, і вказати розміри матеріалу, що йде у відхід.
Знаючи кількість деталей, розташованих на смугах, і кількість, смуг, визначаємо загальну кількість деталей, що можна виготовити (при подовжньому і поперечному різанні листа).
6. Визначаємо площі листа і деталі. Потім визначаємо коефіцієнти використання матеріалу (Кім) при подовжньому і при поперечному різанні листа за формулою (1).
7. Відповідно до річної програми виготовлення деталей визначаємо необхідну кількість листів з урахуванням можливого браку і загальну їхню масу, знаючи щільність металу. Для сталевих листів щільність орієнтовно дорівнює 7,8 т/м3, для алюмінієвих – 2,7 т/м3, для латунних – 8,9 т/м3.
8. Визначити технологічне зусилля розрізування листа на смуги для вибору кривошипних гільйотинних ножиців за формулою (6).
9. Визначити розрахункове зусилля для розділових операцій вирубки і пробивання за формулою (9).
10. Розрахувати загальне технологічне зусилля за формулою (11).
11. За каталогом підібрати відповідний кривошипний прес для холодного листового штампування (додаток Г).
12. Використовуючи формули (13 – 19), визначити виконавчі розміри матриці і пуансона.
13. Виконати креслення деталі пуансона і матриці (додаток Д, Е, Ж).
14. Заповнити маршрутну карту (додаток З).
15. Виконані розрахунки і креслення оформити пояснювальною запискою. Титульний лист записки наведений у додатку К.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Григорьев Л. Л. Рациональные варианты холодной штамповки. – Л.: Машиностроение, 1985. – 230 с.
Гусев А. И. Холодноштамповочное оборудование и его наладка / А. И. Гусев, В. П. Линц – М.: Высшая школа, 1987. – 288 с.
Дружинин Н. С. Выполнение чертежей по ЕСКД / Н. С. Дружинин, П.П. Цылбов – М.: Изд. стандартов, 1985. – 544 с.
Дурандин М. М. Штампы для холодной штамповки мелких деталей. Альбом конструкций и схем / М. М. Дурандин, Н.П. Рымзин, Н.А. Шихов – М.: Машиностроение, 1988. – 108 с.
Зубцов М. Е. Листовая штамповка. – Л.: Машиностроение, 1980. – 430 с.
Маталин А. А. Технология машиностроения: Учебник. – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.
Мещерин В. Т. Листовая штамповка. Атлас схем. – М.: Машиностроение, 1985. – 228 с.
Михаленко Ф. П. Стойкость разделительных штампов. – М.: Машиностроение, 1986. – 208 с.
Мовшович А. Я. Система универсально-сборочных штампов для листовой штамповки. – М.: Машиностроение, 1987. – 178 с.
Нефедов А. П. Конструирование и изготовление штампов. – М.: Машиностроение, 1993. – 408 с.
Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. – Л.: Машиностроение, 1989. – 520 с.
Рудман Л. И. Наладка прессов для листовой штамповки. – М.: Машиностроение, 1980. – 220 с.
Свешников В. С. Прогрессивная технология листовой штамповки. – Л.: Лениздат, 1984. – 256 с.
Технология металлов / Под ред. Б. В. Кнорозова. – М.: Металлургия, 1989. – 320 с.
Додаток А
Бланк завдання для індивідуально-дослідної роботи
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ТЕХНІКИ І ТЕХНОЛОГІЇ
_________________________________________________________
ЗАВДАННЯ
на індивідуально-дослідну роботу з курсу «Системи технологій»
Студентові____________________курсу______факультету_______
(П.І.Б.)
Тема роботи: «Розробка технологічного процесу виготовлення деталі методом холодного листового штампування»
на річний випуск______________________шт. деталей
ЗАВДАННЯ
1. Пояснювальна записка з усіма необхідними аналітичними і графічними розрахунками, описами і необхідними додатками:
1) маршрутна технологічна карта виготовлення деталі (установленої форми);
2) ескізи графічної частини (за узгодженням з викладачем), у тому числі:
а) креслення деталі;
а) креслення пуансона;
б) креслення матриці;
Термін здачі завдання з захистом на кафедрі_______________________
Дата видачі завдання ___________________________________________
Керівник ______________________________________________________
Зав. кафедрою техніки і технології А. Г. Крюк
Додаток Б
Розміри планки і вихідної заготовки (листа), а також вид покриття (варіанти самостійної роботи)
| № | A | B | l | d1 | d2 | S | Розмір листа | Вид покриття |
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 5х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 4х1000х1800 | Нікелеве | |||||||
| 4х1000х1800 | Нікелеве | |||||||
| 4х1000х1800 | Нікелеве | |||||||
| 3х1500х2400 | Оксидне | |||||||
| 3х1500х2400 | Оксидне | |||||||
| 3х1500х2400 | Оксидне | |||||||
| 3х1500х2400 | Оксидне | |||||||
| 3х1500х2400 | Оксидне | |||||||
| 2х1400х2200 | Фосфатне | |||||||
| 2х1400х2200 | Фосфатне | |||||||
| 2х1400х2200 | Фосфатне | |||||||
| 2х1400х2200 | Фосфатне | |||||||
| 2х1400х2200 | Фосфатне | |||||||
| 1х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 1х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 1х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 1х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 1х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 3х1400х2200 | Хромове | |||||||
| 3х1400х2200 | Хромове | |||||||
| 3х1400х2200 | Хромове | |||||||
| 2х1200х2000 | Хромове | |||||||
| 2х1200х2000 | Хромове |
Додаток В
Механічні властивості листових матеріалів для холодного штампування