Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.7. Холодная листовая штамповка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -201-

операциях без разрушения. Однако одна и та же заготовка может допускать

значительные пластические деформации при одной операции, а при других

показывать худшую штампуемость. Это затрудняет поиск единых показа-

телей (критериев) штампуемости, позволяющих по данным механических

испытаний судить о возможном поведении заготовки во всех формоизме-

няющих операциях листовой штамповки.

Пригодность материала к вытяжным операциям (вытяжке, формовке)

чаще вс

его определяют специальными испытаниями на глубину выдавли-

вания лунки сферическим пуансоном на приборе Эриксена.

При листовой штамповке чаще всего используют: низкоуглеродистую

сталь; пластичные легированные стали; медь; латунь, содержащую более

60 % меди; алюминий и его сплавы, титановые сплавы и др. Этим видом

обработки давлением получают изделия из листовых не

металлических мате-

риалов, таких как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит и др.

Все технологические операции листовой штамповки целесообразно

разделить на две группы. К первой группе относятся операции, при которых

заготовка в процессе деформирования доводится до разрушения. Эти опера-

ции принято называть

разделительными. Ко второй группе относят формоиз-

меняющие операции, при которых деформирование заготовки не должно

сопровождаться разрушением. Для формоизменяющих операций кромки

инструмента (пуансона, матрицы) имеют радиусы закруглений, значительно

превышающие толщину заготовки, а зазор обычно несколько больше ее

толщины.

При технологических операциях, обеспечивающих заданный характер

формоизменения, пластические деформации имеют место лишь в части заго-

товки, которую наз

ывают

очагом деформации. При выполнении разделитель-

ных операций стремятся к максимальной локализации очага деформации,

чтобы уменьшить искажения при деформировании и быстрее исчерпать

ресурс пластичности. При выполнении формоизменяющих операций увели-

чивают размеры очага деформации, чтобы уменьшить опасность разрушения.

В классическом виде операции штамповки выполняют с помощью двух

рабочих инструментов − пуансона и матрицы.

Пуансоном называют инстру-

мент, охватываемый заготовкой, а

матрицей − инструмент, охватывающий

заготовку в процессе деформирования. Пуансон и матрица могут быть твер-

дыми, эластичными, жидкостными, газообразными или в виде электромаг-

нитного поля.

Степень локализации очага деформации зависит от размерных характе-

ристик инструмента, в частности от зазора между пуансоном и матрицей, а

также от радиусов закругления рабочих кромок этих инструментов. Чем

мень

ше зазор и радиусы закругления рабочих кромок, тем больше локали-

зуется очаг деформации в заготовке.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.7. Холодная листовая штамповка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -202-

Для разделительных операций рабочие кромки должны быть острыми,

а зазор между пуансоном и матрицей должен составлять десятые или даже

сотые доли от толщины заготовки. Для формоизменяющих операций радиу-

сы закруглений кромок инструментов значительно превышают толщину

заготовки, а зазоры обычно несколько больше ее толщины.

Для осуществления листовой штамповки применяют следующее обору-

дование: ножницы (гильотинные, дисковые, вибрационные и др.), прессы

(кривошипные, гидравлические), листоштамповочный мол

от и установки для

выполнения специальных способов штамповки (ротационной вытяжки,

штамповки взрывом, электромагнитной, электрогидравлической штамповки

и др.). Процессы листовой штамповки состоят из выполняемых в определенной

последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посред-

ством которых исходным заготовкам придают требуемую форму и размеры.

Разделительные операции (резка, вырубка, пробивка) сопровожда-

ются разрушением заготовки по определенным поверхностям.

Резка − это отделение части заготовки по незамкнутому контуру на

ножницах или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную опера-

цию для разделения листов на полосы и заготовки нужных размеров для

последующей штамповки.

Качество поверхности среза обеспечивает необходимый зазор между

режущими кромками, который составляет

Z = (0,03–0,05)S, где S − толщина

листа.

Вырубка и пробивка предполагают отделение заготовки по замкнутому

контуру в штампе. Вырубным пуансоном оформляют наружный контур

изделия, а пробивным − внутренний контур (отверстие). При вырубке отде-

ленная часть является изделием, а при пробивке − отходом. Характер дефор-

мирования заготовки при вырубке и пробивке одинаков. При определенной

глубине внедрения режущих кромок (тем больше, чем выше пластичность

мет

алла) в заготовке возникают трещины, наклоненные к оси инструмента

под углом от 4 до 6°. Вблизи поверхности среза образуется зона наклепан-

ного металла. Это затрудняет последующую штамповку вырубленных заго-

товок. Для повышения качества поверхности и перпендикулярности среза

применяют чистовую вырубку, сущность которой заключается в создании

всестороннего сжатия в зоне очага пластической деформации. Пр

и вырубке

со сжатием зазор между пуансоном и матрицей устанавливают от 0,005 до

0,01 мм, т. е. существенно меньшим, чем при обычной разделительной

операции. Вырубка со сжатием может совмещаться с пробивкой отверстий и

в ряде случаев сокращает объем механической обработки резанием при

изготовлении деталей. Чистовой вырубкой изготавливают плоские кулачки,

зубчатые колеса, пластины постоянных магнитов и т. п.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.7. Холодная листовая штамповка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -203-

Формоизменяющие операции (гибка, вытяжка, отбортовка, обжим,

раздача, формовка)

выполняются пластической деформацией металла без

разрушения заготовки (рис. 6.54

Гибка, т. е. изменение кривизны средней поверхности при почти неиз-

мененных ее линейных размерах, сопровождается неравномерным распре-

делением деформации по толщине (рис. 6.54,

а). При гибке пластически

деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном:

наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные к пуансону) сжи-

маются. Виды изделий, получаемых вытяжкой, представлены на рис. 6.55

Вытяжка − операция, с помощью которой из плоской заготовки

получают полые пространственные изделия (рис. 6.54,

б). Под воздействием

пуансона плоская заготовка диаметром

заг

втягивается в отверстие матрицы

и принимает форму полой детали диаметром

d. Формоизменение заготовки

при вытяжке оценивается степенью вытяжки

К = D

заг

/d, значение которой в

зависимости от механических свойств материала и условий вытяжки не

должна превышать от 1,8 до 2,1 за один переход. На рис. 6.56

показаны

детали, получаемые вытяжкой.

Изделия с большим формоизменением заготовки получают за несколь-

ко операций вытяжки с постепенным уменьшением диаметра полой

заготовки и увеличением ее высоты (рис. 6.54,

в). Промежуточный отжиг для

устранения наклепа позволяет увеличить степень вытяжки до 1,6.

Опасность разрушения заготовок устраняют также закруглением кро-

мок пуансонов и матриц радиусом

r = (5−10)S, где S − толщина листа, и при-

менением смазок для уменьшения сил трения между поверхностями

заготовок и инструмента.

Отбортовка − операция получения борта (горловины) в плоской или

пространственной заготовке путем вдавливания в отверстие матрицы части

заготовки с предварительно пробитым отверстием (рис. 6.54,

г). Допустимое

без разрушения формоизменение характеризуют коэффициентом отбортовки.

Обжим − операция, предназначенная для уменьшения поперечных раз-

меров краевой части полой цилиндрической заготовки путем заталкивания ее

в сужающую полость матрицы (рис. 6.54,

д). Допустимое формоизменение

при обжиме ограничивается не разрушением заготовки, а потерей ее устой-

чивости в процессе деформирования. Основным видом потери устойчивости

является образование складок. При этом возможно образование кольцевой

складки в цилиндрической недеформированной части заготовки или про-

дольных складок в очаге деформации. Обычно за один переход можно полу-

чить изделие с диаметром к

раевого участка d = (0,7–0,8)D

заг

. Складки обычно

устраняют подпором стенок заготовки.

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.7. Холодная листовая штамповка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -204-

а б в

г д е

Рис. 6.54. Формоизменяющие операции листовой штамповки: а − гибка; б, в −

вытяжка; г − отбортовка; д − обжим; е − формовка; 1 − пуансон; 2 − прижим; 3 – матрица

Рис. 6.55. Детали, получаемые гибкой

Рис. 6.56. Детали, получаемые вытяжкой

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.7. Холодная листовая штамповка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -205-

Формовка − операция получения местных углублений и выпуклостей в

листовых и пространственных заготовках (рис. 6.54,

е). При формовке очаг

деформации охватывает часть заготовки, противостоящую полости матрицы.

Схема напряженного состояния близка к схеме двухосного растяжения, и

формообразование осуществляется за счет утонения заготовки. Высота

получаемого углубления

h ограничивается возможностью разрушения

заготовки в местах наибольшего утонения и существенно зависит от

механических характеристик деформируемого материала.

Допустимое значение

h возрастает с увеличением толщины заготовки

при прочих равных условиях. Максимальная глубина полости, образованной

в условиях двухосного растяжения, может достигать величины

h = 3S.

Формовку применяют для получения мембран с кольцевыми рифле-

ниями, ребер жесткости в оболочках, а также для изготовления изделий

сложной несимметричной формы.

При высокоскоростных способах штамповки скорость перемещения

заготовки достигает 300−400 м/с. В этих условиях углеродистые и легирован-

ные конструкционные стали, а также пластичные сплавы цветных металлов

значительно повышают пластичность, что увеличивает их допустимое фор-

моизменение. Однако у труднодеформируемых сплавов повышение пластич-

ности не наблюдается. Наиб

олее широкое применение в промышленности

получили следующие способы высокоскоростного деформирования: штам-

повка взрывом, электрогидравлическая и электромагнитная штамповка.

В зависимости от формы различают следующие виды изделий:

•

плоские изделия, получаемые с помощью разделительных операций;

•

изделия, изготавливаемые операцией гибки;

•

полые оболочки, получаемые формоизменяющими (вытяжными)

операциями;

•

изделия сложной формы, изготавливаемые с помощью разделитель-

ных и формоизменяющих операций.

При проектировании этих изделий должны быть выполнены следую-

щие требования:

•

механические свойства материала исходной заготовки (листа, трубы)

должны соответствовать требованиям прочности, жесткости изделий;

•

коэффициенты формоизменения должны быть такими, чтобы обо-

лочка могла быть изготовлена за один переход;

•

размеры заготовок должны быть заданы с учетом возможностей

имеющегося оборудования;

•

при конструировании деталей следует предусматривать максималь-

ное использование материала;

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

6.7. Холодная листовая штамповка



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -206-

• целесообразно, чтобы форма детали была симметричной относи-

тельно одной или нескольких осей;

•

унификация и стандартизация элементов конструкции детали долж-

ны обеспечивать сокращение номенклатуры технологической оснастки и

многократное использование ее компонентов;

•

необходимо унифицировать и уменьшить ассортимент применяемых

толщин и марок материала заготовок (листов, труб) с целью снижения себе-

стоимости изготовления деталей.

Технологичность конструкций плоских изделий определяется особен-

ностями процесса разделения и механическими свойствами исходной заго-

товки. Требования к материалу заключаются в том, чтобы при выполнении

этих операций получать высокую точность размеров изделий и ка

чество

поверхностей резания по толщине. Например, при прямолинейной отрезке на

ножницах ширина получаемой полосы не должна быть менее двух толщин. В

противном случае поперечное сечение полосы будет значительно деформи-

ровано.

Для технологичности полых оболочек, получаемых формоизменяю-

щими операциями, при конструировании детали следует избегать неоправ-

данного усложнения ее формы. К наиболее простым для изг

отовления

относятся цилиндрические оболочки, а более сложными являются ступенча-

тые в виде тел вращения и коробчатые.

Особенности деформирования заготовок при вытяжке обусловливают

определенные требования к правильному выбору радиусов сопряжения дна,

стенок и фланцев, а также соотношений размеров поперечных сечений и

высоты детали.

При конструировании оболочек, изготавливаемых формовкой, необхо-

димо учитывать во

зможность разрушения заготовки в процессе деформиро-

вания.

Высота углубления существенно зависит от отношения толщины заго-

товки к ее поперечным размерам. Для исключения операции обрезки после

формовки крупных элементов предпочтительно исходный контур заготовки

задать концентрично контуру формуемого элемента. Шероховатость поверх-

ности образованных ребер ухудшается по сравнению с параметрами листо-

вой заготовки.

Использование трубных заготовок вместо листовых во мн

огих случаях

позволяет снизить расход материала и трудоемкость их изготовления. Так,

одна операция обжима может заменить три-четыре операции вытяжки. Коэф-

фициент использования материала повышается с 0,6–0,7 при использовании

листовой заготовки до 0,9–0,95 при штамповке трубной заготовки.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -207-

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных

соединений заготовок посредством установления межатомных связей между

свариваемыми заготовками. Сварочные процессы применяют для изготовле-

ния сварных конструкций, исправления брака литья и восстановления поло-

манных и изношенных деталей.

Существенным преимуществом сварки является плотность швов, обес-

печивающая герметичность резервуаров, котлов, вагонов-цистерн, трубопро-

водов, корпусов судов. Сварка позволяет соединять элементы, имеющие

различную толщину, и упрощать технологию изготовления сложных узлов и

конструкций. Возможность механизации и автоматизации производствен-

ных процессов, высокое качество сварных соединений и рациональное

использование металла сделали свар

ку прогрессивным высокопроизводи-

тельным и экономически выгодным технологическим процессом.

Сущность процесса сварки заключается в возникновении атомно-

молекулярных связей между контактирующими поверхностями. Для этого

необходимо поверхности сблизить на расстояние, соизмеримое с атомным

радиусом. В реальных условиях сближению поверхностей препятствуют

микронеровности, окисные и органические пленки, адсорбированные газы.

Для получения качественного соединения необходимо устранить при-

чины, препятствующие сближению контактирующих поверхностей, и сооб-

щить атомам твердого тела некоторую энергию для повышения энергии

поверхностных атомов, которая назыв

ается

энергией активации. Эта энергия

может сообщаться в виде теплоты (термическая активация) и в виде

упругопластической деформации (механическая активация).

В зависимости от метода активации образование связей между атомами

соединяемых поверхностей происходит в твердой или жидкой фазах. В соот-

ветствии с этим все способы сварки можно разделить на две основные груп-

пы: сварка пластическим деформированием (да

влением) и сварка плавлением.

При сварке давлением сближение атомов и активация поверхности

соединяемых материалов достигаются в результате совместной упругоплас-

тической деформации. В процессе пластической деформации в поверхност-

ных контактирующих слоях выравниваются микронеровности, разрушается

адсорбированный слой и увеличивается число активных центров взаимо-

действия. В результате атомы активизированных поверхностей вступают во

взаимодействие и между ними образуется металлическая связь.

Методы сварки давлением разделяются на две подгруппы – термомеха-

нические и мех

анические.

Сварку давлением можно проводить:

•

без предварительного нагрева места соединения (холодная, взрывом,

ультразвуковая, трением), когда применяется только механическая энергия;

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -208-

• с предварительным нагревом (контактная, диффузионная, газопрес-

совая), когда наряду с механической, применяется и тепловая энергия от

внешних или внутренних источников теплоты.

Предварительный нагрев до пластического состояния или до

оплавления применяют для металлов и сплавов, обладающих повышенным

сопротивлением пластическим деформациям в холодном состоянии, что

затрудняет их совместное деформирование, так как требует больших

давлений на единицу поверхн

ости.

Нагрев металла при сварке давлением осуществляется либо за счет

дополнительных энергетических затрат (пропускание тока, сжигание газов,

индуктирование в деталях токов высокой частоты), либо за счет частичного

преобразования сообщаемой энергии в тепловую.

При сварке плавлением детали соединяют за счет местного расплавле-

ния металла свариваемых элементов без приложения давления. Расплав-

ляется либо только основной металл (изделия) по кромкам, либо основной и

дополнительный металл – электродный или присадочный.

Расплавленный металл образует общую сварочную ванну. При этом

достигается разрушение окисных пленок, покрывающих поверхность

соединяемых элементов, и сближение атомов до расстояния, при котором

возникают мет

аллические связи. После кристаллизации металла образуется

сварочный шов, имеющий литую структуру.

Для расплавления основного и присадочного (или электродного)

металлов применяют источники теплоты с температурой не ниже 3000 °С. В

зависимости от характера источника теплоты различают электрическую и

химическую сварку плавлением.

При электрической сварке плавлением источником теплоты служит

электрический ток. Сущест

вуют следующие виды электрической сварки

плавлением:

дуговая, при которой нагрев и плавление осуществляют за счет

энергии, выделяемой дуговым разрядом;

электрошлаковая, при которой нагрев и плавление металла

осуществляются за счет термической энергии, выделяемой током,

проходящим через расплавленный флюс (шлаковую ванну);

электронно-лучевая, при которой энергия, расходуемая на нагрев и

плавление металла в месте соединения, получается за счет интенсивной

бомбардировки быстродвижущимися в вакууме электронами;

плазменная, при которой источником теплоты является струя

ионизированного газа;

лазерная, сварка лучом оптического квантового генератора (лазера),

при которой нагрев и плавление металла осуществляются мощным световым

лучом.

К сварке плавлением относится газовая, химическая сварка, где в каче-

стве источника теплоты используют экзотермическую реакцию горения газов.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -209-

Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовы-

вать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требова-

ниям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Понятие

свариваемости часто применяют при сравнительной оценке существующих и

разработке новых материалов.

Свариваемость материалов оценивают степенью соответствия задан-

ных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного

металла и их склонностью к образованию так

их сварочных дефектов, как

трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы

разделяют на хорошо, удовлетворительно и плохо сваривающиеся. Многие

разнородные материалы, особенно металлы с неметаллами, не вступают во

взаимодействие друг с другом. Такие материалы относятся к числу практи-

чески несваривающихся.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и св

ойст-

вами структуры, возникающей в сварном соединении при сварке. При сварке

однородных металлов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется

структура, идентичная или близкая структуре соединяемых заготовок. Этому

случаю соответствует хорошая свариваемость материалов.

При сварке разнородных материалов в зависимости от различия их

физико-химических свойств в месте соединения образуется твердый раствор

с решеткой одн

ого из материалов либо химическое или интерметаллидное

соединение с решеткой, отличающейся от решеток исходных материалов.

Механические и физические свойства твердых растворов, особенно хими-

ческих или интерметаллидных соединений, могут значительно отличаться от

свойств соединяемых материалов. Такие материалы относятся к удовлетво-

рительно сваривающимся.

Если образуются хрупкие и твердые структурные сост

авляющие в свар-

ном соединении, то в условиях действия сварочных напряжений возможно

возникновение трещин в шве или околошовной зоне. В последнем случае

материалы относятся к категории плохо сваривающихся.

Свариваемость, с одной стороны, зависит от материала, технологии

сварки, конструктивного оформления соединения, а с другой − от эксплуата-

ционных свойств сварной конструкции, которые определяются пр

едъявляе-

мыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или

комплекс свойств, в зависимости от назначения конструкции. Если эксплу-

атационные требования удовлетворяются, то свариваемость материалов счи-

тается достаточной. Если не обеспечивается хотя бы одно из этих свойств, то

свариваемость материала считается недостаточной.

Для исследования свариваемости, как правило, применяют св

арные

образцы специальной конструкции или образцы с имитацией сварочных

циклов. В результате испытания сварных образцов определяются условия

появления дефектов, механические и специальные свойства соединений.

Наряду с экспериментальными используют расчетные методы определения

показателей свариваемости, учитывающие химический состав, тип соедине-

ния, вид, режим сварки и другие факторы.

ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ ЗАГОТОВОК



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -210-

В каждом конкретном случае основные показатели выбирают с учетом

того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами

сварных соединений при эксплуатации.

При сварке однородных металлов в месте соединения, как правило,

образуется структура, близкая к структуре соединяемых заготовок. В этом

случае свариваемость оценивается как хорошая или удовлетворительная. В

процессе сварки разнородных материалов в зависимости от степ

ени их

взаимной растворимости в соединении могут образовываться твердые

растворы, химические и интерметаллические соединения. Механические и

физические свойства соединений могут существенно отличаться от свойств

свариваемых материалов. При этом высока вероятность образования

несплошностей в виде трещин и несплавлений. Свариваемость в этом случае

оценивается как ограниченная или плохая.

Прочность и твердость шв

а при сварке сплавов, как правило, ниже, чем

у основного материала. Это объясняется тем, что для предотвращения

образования трещин при сварке плавлением применяют менее легированный

присадочный материал, чем металл заготовок. Пониженная пластичность

шва может быть обусловлена крупнокристаллитной литой макроструктурой

и повышенным содержанием газов.

В зоне термического влияния (ЗТВ), т. е. на участке основного металла,

прилегающего к шв

у, под воздействием нагрева происходят фазовые и струк-

турные превращения. В результате фазовых превращений в ЗТВ возможно

существенное повышение твердости и снижение пластичности (рис. 7.1

Рис. 7.1. Неоднородность механических свойств различных зон сварного

соединения легированной стали: 1 − основной металл; 2 − шов; 3 − зона термического

влияния