СПОСОБ ШТАМПОВКИ КОРОБКИ ИЗ ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ НА ПРЕССЕ ПРОСТОГО ДЕЙСТВИЯ
METHOD OF FORGING BOX FROM STEEL BLANK AT SIMPLE-ACTION PRESS

Изобретение относится к листовой штамповке и может быть использовано в прессовых производствах для штамповки коробок разнообразной в плане конфигурации из листовых материалов, металлов и неметаллов, преимущественно для штамповки коробчатых деталей автомобилей па прессах простого действия и многопозиционных прессах-автоматах.
Известен традиционный способ вытяжки детали типа стакана или коробки из плоской листовой заготовки на прессе простого действия в штампе, включающий прижим периферийной части заготовки при помощи буфера пресса и вытяжку центральной части заготовки пуансоном (Ковка и штамповка. Справочник в 4-х томах. Том 4. Листовая штамповка. - М.: Машиностроение, 1987, с.418, рис.115).
Известен также способ вытяжки коробки на многопозиционном прессе-автомате за несколько операций вытяжки, включающий прижим периферийной части заготовки и вытяжку центральной части заготовки пуансоном. При необходимости производят повторную операцию вытяжки коробки (Ковка и штамповка. Справочник в 4-х томах. Том 4. Листовая штамповка. - М.: Машиностроение, 1987, с.435, рис.140).
В качестве прототипа выбран способ вытяжки коробки на прессе простого действия в штампе, включающий размещение заготовки в штампе для вытяжки, прижим фланца заготовки рабочей поверхностью прижима к прижимной поверхности матрицы и вытяжку коробки втягиванием фланца заготовки в зазор между пуансоном и матрицей с образованием стенки коробки при помощи пуансона и матрицы, контуры которых в плане соответствуют контуру стенки коробки в плане с учетом толщины этой стенки, после вытяжки в дне коробки пробивают одно или несколько отверстий (Нефедов А.П. Конструирование и изготовление штампов. М.: Машиностроение, 1973, с.79, рис.59).
Эти известные традиционные способы вытяжки используются как при штамповке коробок со сплошным дном, так и коробок с одним или несколькими отверстиями в дне, только при штамповке коробок с отверстиями в дне после вытяжки добавляется операция пробивки отверстий в дне коробки. Поэтому общим недостатком известных способов вытяжки коробок как без отверстий в дне, так и с отверстиями в дне является небольшая предельная высота вытягиваемой коробки без разрушения заготовки. На производстве этот недостаток при вытяжке коробок высотой, близкой к предельной, приводит к снижению точности и браку коробок из-за разрушения заготовок, излишнему увеличению нормы расхода материала на одну коробку и себестоимости изготовления коробки. Для устранения разрушения заготовок на операции вытяжки требуется останов автоматической линии штамповки и доработка штампа для вытяжки и всей технологии штамповки данной коробки, что приводит к большим производственным издержкам.
Задача изобретения заключается в штамповке на операции вытяжки коробки с предельно возможной высотой без разрушения заготовки, когда после вытяжки в дне коробки пробивают конструктивно предусмотренные одно или несколько отверстий со стенкой разнообразной в плане конфигурации.
Задача решается способом штамповки коробки из листовой заготовки на прессе простого действия, включающим размещение заготовки в штампе для вытяжки, прижим фланца заготовки рабочей поверхностью прижима к прижимной поверхности матрицы и вытяжку коробки втягиванием фланца заготовки в зазор между пуансоном и матрицей с образованием стенки коробки с использованием пуансона и матрицы, контуры которых в плане соответствуют контуру стенки коробки в плане с учетом толщины этой стенки, после вытяжки в дне коробки пробивают одно или несколько отверстий, отличающимся тем, что предварительно изготавливают листовую заготовку с пробитыми отверстиями, расположенными в местах, соответствующих опасным сечениям в процессе вытяжки и расположенных напротив угловых закруглений минимального радиуса кривизны стенки коробки в плане, форму и размеры которых определяют из условия перехода прилегающей к этим отверстиям центральной части заготовки в угловое закругление стенки коробки при вытяжке с удлинением этих отверстий к образующемуся борту, не доходящих до зазора меду пуансоном и матрицей, вытяжку коробки осуществляют на каждом из упомянутых угловых закруглений минимального радиуса кривизны образующейся стенки коробки в плане с образованием основного участка по высоте стенки коробки из краевой части заготовки и совмещают с отбортовкой дополнительных участков по высоте стенки коробки из центральной части заготовки, прилегающих к предварительно пробитым отверстиям с их удлинением в сторону середины угловых закруглений стенки коробки, не доходящим до зазора между пуансоном и матрицей, при этом величину силы прижатия фланца заготовки от буфера штампа или подушки пресса задают достаточной для получения в процессе вытяжки во фланце заготовки складок и их разглаживания при втягивании фланца в зазор между пуансоном и матрицей с образованием стенки коробки, в конце вытяжки коробки с фланцем при подходе к нижнему крайнему положению штампа для вытяжки оставшиеся на фланце складки небольшой высоты правят между рабочей поверхностью прижима и прижимной поверхностью матрицы силой ползуна пресса, выполняют правку дна коробки.
Сущность нового способа вытяжки характеризуется фиг.1 и 2, на которых на главном виде спереди показан разрез Т-Т штампа для реализации данного способа вытяжки, а на виде сверху из условия симметрии штампа для вытяжки показана лишь верхняя половина нижней неподвижной части штампа без заготовки 9 (фиг.1) и без коробки 12 (фиг.2); контуры заготовки 9 и предварительно пробитых в заготовке отверстий 10 и 11, а также контур вытянутой коробки 12 с измененными в процессе вытяжки отверстиями 13 и 14 на виде сверху показаны лишь тонкой линией. На фиг.1 продемонстрировано начало, а на фиг.2 - конец процессов, вытяжки и незавершенной отбортовки стенки коробки, а также конец правки складок небольшой высоты на фланце вытянутой коробки силой ползуна пресса, когда между фланцем коробки 12, прижимом 3 и матрицей 2 отсутствует зазор для складок. На фиг.2 также показаны неполная правка или неполная рельефная формовка дна коробки, когда между дном вытянутой коробки 12, выталкивателем 6 и торцом пуансона 1 имеется зазор.
Штамп для реализации данного способа вытяжки содержит следующие основные рабочие части: пуансон 1, матрицу 2 и прижим 3. Пуансон 1 закреплен на неподвижной нижней плите штампа 4, а матрица 2 - на подвижной верхней плите 5. Внутри матрицы 2 находится выталкиватель 6 отштампованной коробки, действующий от толкателя 7 при помощи устройства штампа или пресса (не показаны). Прижим 3 через толкатели 8 опирается на буфер штампа или подушку пресса (не показаны), который обеспечивает необходимую силу прижатия фланца заготовки.
Способ осуществляется следующим образом.
1
2
Определяют форму и размеры листовой заготовки: напротив закруглений стенки коробки в плане контур заготовки строят в виде дуги окружности радиуса, равного радиусу заготовки для вытяжки осесимметричной детали, соответствующей закруглению коробки, а напротив прямолинейных отрезков стенки коробки в плане контур заготовки строят в виде прямой, отстоящей от стенки коробки па расстояние, рассчитанное как развертка стенки при гибке; контур заготовки получают, соединяя полученные отрезки прямых и дуг окружностей с учетом геометрии коробки. Напротив угловых закруглений минимального радиуса кривизны стенки коробки в плане, где в процессе вытяжки будет находиться опасное сечение и возможно разрушение заготовки, определяют форму и размеры отверстий из условия перехода прилегающей к этим отверстиям центральной части заготовки в угловое закругление стенки коробки при вытяжке с удлинением этих отверстий к образующемуся борту, не доходящих до зазора между пуансоном и матрицей. Вырубленную из листового материала заготовку 9 (фиг.1) с пробитыми отверстиями 10 и 11 укладывают на пуансон 1 и прижим 3, который под действием буфера штампа или подушки пресса находится в верхнем крайнем положении. Сначала, на рабочем ходе ползуна пресса вместе с подвижной частью штампа, прижимают от складкообразования краевую часть или фланец заготовки к прижимной поверхности матрицы 2 и рабочей поверхности прижима 3 силой от буфера штампа или подушки пресса. Затем, при дальнейшем ходе ползуна пресса вместе с подвижной частью штампа, при вытяжке коробки на угловых закруглениях минимального радиуса кривизны R или R образующейся стенки коробки в плане, где находится опасное сечение и возможно разрушение заготовки, процесс вытяжки основного участка по высоте стенки коробки из краевой части заготовки совмещают с процессом незавершенной отбортовки дополнительного участка по высоте стенки коробки из центральной части заготовки, прилегающей к предварительно пробитому отверстию 10 или 11. Предварительно пробитые в заготовке отверстия 10 и 11 (фиг.1) в процессе незавершенной отбортовки удлиняются в направлении середины углового закругления стенки коробки 12; на фиг.2 удлиненные отверстия обозначены позициями 13 и 14. Одновременно при подходе к крайнему нижнему положению штампа при помощи выталкивателя 6 и торца пуансона 1 правят выпуклое дно коробки, которое стало выпуклым под действием изгибающих моментов в процессе вытяжки, или рельефно формуют дно коробки.
В итоге, в данном процессе вытяжки с незавершенной отбортовкой стенки коробки, предельную высоту коробки до разрушения заготовки увеличивают по сравнению с вытяжкой коробки без добавления процесса незавершенной отбортовки, а сам процесс вытяжки коробки предельной высоты делают более устойчивым и надежным.
n
t
n
t
n
После ухода ползуна пресса вместе с подвижной частью штампа вверх в исходное положение выталкиватель 6 при помощи толкателя 7, действующего от устройства штампа или пресса, выталкивает вытянутую коробку 12 из матрицы 2 и возвращается в исходное верхнее положение, а коробка удаляется со штампа. В штамп загружают новую заготовку и вытягивают новую коробку. На последующих операциях штамповки в дне коробки пробивают одно или несколько новых отверстий, далее, в случае необходимости, фланец коробки правят, радиусы у дна и фланца коробки калибруют и выполняют другие операции. При вытяжке коробки из листовой заготовки в каждой точке краевой части или фланца этой заготовки, где находится очаг деформаций, действует растягивающее напряжение σ по нормали к внутреннему контуру фланца, соответствующего контуру пуансона или стенке коробки в плане, и сжимающее напряжение σ в перпендикулярном нормальному направлении. Значения этих напряжений σ и σ в любой точке заготовки изменяются как во времени вытяжки, так и в пространстве при выборе различных точек по нормали или в перпендикулярном к нормали направлении. Следовательно, процесс вытяжки коробки является нестационарным. При втягивании фланца заготовки в зазор между пуансоном и матрицей с образованием стенки коробки наибольшее растягивающее напряжение σ действует в поперечном, по отношению к вертикальной оси штампа, сечении образующейся стенки в месте перехода дна в стенку вытягиваемой коробки и в середине углового закругления коробки с наибольшей кривизной или с наименьшим радиусом кривизны, где толщина заготовки в процессе вытяжки стала минимальной. Поэтому это место на вытягиваемой коробке считается опасным, и именно в этом месте часто происходит разрушение заготовки на производстве при вытяжке коробки большой высоты, вследствие чего увеличиваются процент брака, норма расхода материала, трудоемкость и себестоимость изготовления коробки.
n
t
s
s
s
T
B
p
T
B
p
p
T
B
p
n
t
n
t
t
n
n
t
t
t
-n
Из условия пластичности σ-σ=σ, где напряжение текучести σ в зависимости от интенсивности деформаций  рассчитывают с учетом упрочнения заготовки по формуле Жаркова В.А.: σ=σ+σ(1+δ)ε, n=ln{1-σ/[σ(1+δ)]}/ln[ln(1+δ)] (журнал «Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением», №1, 2007 г, стр.34.), а предел текучести σ, предел прочности σ и относительное равномерное удлинение δ определяют по ГОСТ 11701-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент", следует, что на внешнем контуре заготовки напротив середины углового закругления коробки, где σ=0, действует наибольшее, по модулю, сжимающее напряжение σ, поэтому здесь - наибольшая опасность складкообразования заготовки и нужен прижим. По мере удаления от контура заготовки по фланцу вдоль нормали к середине углового закругления коробки растягивающее напряжение σ увеличивается, а сжимающее напряжение σ уменьшается, но даже на внутреннем контуре фланца заготовку и далее на закруглении рабочей кромки матрицы сжимающее напряжение σ остается достаточно большим, чтобы вызвать потерю устойчивости плоских участков на вытягиваемой стенке коробки. Наименьшее растягивающее напряжение σ действует в направлении вытягиваемой стенки в середине прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура стенки коробки в плане или в середине плоских участков стенки. Из приведенного выше условия пластичности следует, что при малом растягивающем напряжении σ сжимающее напряжение σ, по модулю, становится большим, по краям вытягиваемого плоского участка стенки направлено навстречу друг другу из двух противоположных угловых закруглений и вызывает потерю устойчивости этого участка, вследствие чего в зазоре между пуансоном и матрицей на плоских участках стенки коробки появляются дефекты типа неплоскостности, складок, неровности, местной выпуклости и вогнутости. Если у вытянутой коробки вырезать плоский участок с этими дефектами, то дефекты лишь уменьшатся, но не исчезнут, что говорит о том, что потеря устойчивости плоских участков при вытяжке коробки происходит за пределом упругости в области пластических деформаций. Это же сжимающее напряжение σ действует не только на вытягиваемый плоский участок стенки, но и на вытягиваемый участок углового закругления коробки, однако жесткость углового закругления выше жесткости плоского участка стенки коробки, поэтому под действием сжимающего напряжения σ угловое закругление стенки коробки лишь изгибается в пределах зазора между пуансоном и матрицей, а потери устойчивости стенки коробки на угловом закруглении не происходит.
n
Таким образом, если для вытяжки коробки применить заготовку, в центральной части которой пробиты отверстия напротив прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура стенки коробки в плане, то это еще больше уменьшит и без того небольшое значение растягивающего напряжения σ и количество дефектов на этих участках стенки коробки увеличится. Поэтому отверстия в заготовке напротив прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура стенки коробки в плане не пробивают.
Участки фланца заготовки напротив прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура пуансона в плане в процессе вытяжки подвергаются малым пластическим деформациям и поэтому перемещаются с большой скоростью, приближенно равной скорости перемещения подвижной части штампа или ползуна пресса. Участки фланца заготовки напротив угловых закруглений с малым радиусом кривизны контура пуансона в плане в процессе вытяжки подвергаются большим пластическим деформациям и поэтому перемещаются с малой скоростью, в несколько раз меньшей скорости перемещения подвижной части штампа или ползуна пресса, и с тем меньшей скоростью, чем дальше от пуансона находятся эти участки. Из условия сплошности заготовки, быстро перемещающиеся участки фланца заготовки напротив прямолинейных отрезков и линий с большим радиусом кривизны контура пуансона в плане захватывают медленно перемещающиеся соседние участки фланца заготовки напротив угловых закруглений с малым радиусом кривизны контура пуансона в плане и заталкивают последние в зазор между пуансоном и матрицей, улучшая условия вытяжки.
Таким образом, если для вытяжки коробки применить заготовку, в центральной части которой пробиты отверстия напротив прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура пуансона или коробки в плане, то это уменьшит скорость перемещения участков фланца заготовки напротив прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура пуансона или коробки в плане и ухудшит условия вытяжки. И по этой причине отверстия напротив прямолинейных отрезков и кривых с большим радиусом кривизны контура пуансона или стенки коробки в плане пробивать не следует.
n
Следовательно, новый способ вытяжки направлен на то, чтобы уменьшить растягивающее напряжение σ в вытягиваемой стенке коробки на угловых закруглениях малого радиуса кривизны и за счет этого увеличить предельную высоту коробки и повысить точность размеров полученной заготовки и надежность вытяжки без разрушения заготовки.
t
Силу Q прижатия фланца заготовки от буфера штампа или подушки пресса, толкателей 8 и прижима 3 (фиг.1 и 2) в процессе вытяжки коробки, с одной стороны, делают минимальной, чтобы были минимальные силы трения µQ, где µ - коэффициент трения фланца заготовки о рабочие поверхности штампа, а с другой стороны, делают достаточно большой, чтобы препятствовать образованию на фланце больших по высоте складок, которые невозможно разгладить при втягивании фланца в зазор между пуансоном 1 и матрицей 2 с образованием стенки коробки. Следовательно, складки небольшой высоты, образующиеся под действием сжимающего напряжения σ во фланце заготовки, должны полностью распрямляться при перемещении этих складок через рабочую скругленную кромку матрицы 2 в вытягиваемую стенку коробку, и после вытяжки на стенке коробки складок не должно быть.
В конце процесса вытяжки коробки с фланцем, при подходе к нижнему крайнему положению штампа для вытяжки, оставшиеся на фланце складки небольшой высоты правят между рабочей поверхностью прижима 3 и прижимной поверхностью матрицы 2 силой уже не подушки пресса, а большей силой ползуна пресса.
Поскольку сложно одновременно править и складки на фланце вытянутой коробки, и дно коробки, то выполняют неполную правку дна коробки и в нижнем крайнем положении штампа для вытяжки после неполной правки дна коробки 12 между поверхностями выталкивателя 6, дна коробки 12 и торца пуансона 1 допускают небольшой зазор, так как после вытяжки коробки с деформированными отверстиями в дне эти отверстия обрезают и, в случае необходимости, еще раз правят дно на последующих операциях штамповки.
n
lim
lim
lim
B
p
n
lim
p
n
lim
n
lim
При вытяжке заготовки напряженно-деформированное состояние (НДС) середины углового закругления минимального радиуса кривизны вытягиваемой стенки коробки, где находится опасное сечение, близко к НДС образца из того же материала, что и заготовка, при испытании на одноосное растяжение. Поэтому анализ возможности вытяжки заданной коробки без разрушения заготовки в опасном сечении проводят по формуле Жаркова В.А.: σ<σ/C (журнал «Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением», №1, 2007 г, стр.35.), где предельное растягивающее напряжение σ равно истинному пределу прочности заготовки σ=σ(1+δ), а коэффициент запаса прочности равен С=1,2. Если условие σ<σ/C не выполняется, то изменяют геометрические параметры коробки, выбирают более пластичную заготовку с большей величиной δ, используют более качественный материал для смазки заготовки перед вытяжкой и другие технические решения. Далее снова рассчитывают растягивающее напряжение σ в опасном сечении вытягиваемой коробки и сравнивают с величиной σ/С, и так изменяют указанные выше параметры до тех пор, когда σ станет меньше σ/C.
На производстве сначала выбирают расчетную модель процесса вытяжки, строят контур листовой заготовки, задают силу прижима заготовки и другие параметры процесса исходя из изложенных выше правил, проводят несколько вариантов компьютерного моделирования процесса вытяжки заданной коробки из различных по конфигурации заготовок при помощи системы Маге корпорации MSC Software (США), программы AutoForm фирмы AutoForm (Швейцария) или другой подобной программы, а затем теоретически рассчитанные параметры лучшего варианта процесса вытяжки используют при проектировании и изготовлении штампа для вытяжки и уточняют при отладке этого штампа.
Техническим результатом данного способа штамповки коробки предельной высоты из листовой заготовки на прессе простого действия является повышение точности размеров коробки с одновременным устранением разрушения и складкообразования заготовки. Это в целом снижает процент брака на производстве, уменьшает норму расхода листового материала и себестоимость изготовления коробки.