1.3 Резка листового металла штампами
Процесс резания штампами при вырубке, пробивке и других операциях в некоторой степени аналогичен процессу резания ножницами. В данном случае пуансон и матрица являются как бы ножами замкнутой конфигурации, имеющими сопряженные режущие кромки. Однако процессы резания существенно отличаются.
Последовательность процесса вырубки показана на рис. 3.
Процесс резания штампами также состоит из трех стадий: упругой, пластической и скалывания.
В первой стадии происходит упругий изгиб металла с легким выдавливанием его в отверстие матрицы. При этом напряжения в металле не превосходят предела упругости.
В пластической стадии происходят вдавливание пуансона в металл и выдавливание его в отверстие матрицы.
Вдавливание вырубного пуансона происходит не по всей торцовой поверхности, а лишь по кольцевому (или иной формы в плане) пояску шириной b. Такое же вдавливание наблюдается и со стороны матрицы. Отпечатки от локализованного вдавливания пуансона и матрицы остаются на вырубленной детали и отходе в виде смятой полоски вдоль контура резания.
В результате локализованного вдавливания пуансона и матрицы возникает круговой изгибающий момент, образованный силами резания, условно представленными на рис. 3, I и II равнодействующими нормальных напряжений.
Под действием кругового изгибающего момента заготовка получает пространственный изгиб (выпучивание), при котором с наружной (выпуклой) стороны заготовки возникает напряженное состояние двухосного растяжения, а на внутренней стороне — двухосного сжатия.
Непосредственно под режущей кромкой пуансона создается напряженное состояние объемного сжатия, а над режущей кромкой матрицы — напряженное состояние с напряжениями радиального растяжения. Первое более благоприятно для пластического течения металла, а второе — менее благоприятно и способствует возникновению микротрещин в зоне резания.
К концу второй стадии напряжения вблизи режущих кромок Достигают максимальной величины, соответствующей сопротивлению металла срезу.
В третьей стадии процесса вырубки у режущих кромок матрицы образуются скалывающие трещины (рис. 3, III). После дальнейшего погружения пуансона и исчерпывания местной пластичности металла скалывающие трещины возникают и у режущих кромок пуансона (рис. 3, IV и V). Эта последовательность скалывания подтверждается тем, что блестящий поясок, соответствующий пластической стадии резания, на отходе значительно шире, чем на детали.
Скалывающие трещины, направленные по линиям наибольших деформаций сдвига (поверхностям скольжения), быстро распространяются на внутренние слои металла и вызывают отделение вырезаемой детали.
Во время первой и второй стадий вырубки скорость погружения пуансона уменьшается; а с начала третьей стадии — резко увеличивается. При дальнейшем движении пуансон проталкивает вырезанную деталь через рабочую шейку матрицы.
При нормальном зазоре между пуансоном и матрицей г, поверхности сдвига (линии скольжения), возникающие у режущих кромок пуансона, совпадают с поверхностями сдвига и трещинами, возникшими у режущих кромок матрицы, и образуют общую криволинейную поверхность скалывания (рис. 3, а).
При малом зазоре z2 и большой толщине материала поверхности сдвига, идущие от кромок пуансона, не совпадают с поверхностями сдвига, возникшими у кромок матрицы. Оставшаяся кольцевая перемычка перерезается при дальнейшем погружении пуансона с возникновением новых скалывающих трещин, причем на детали образуются надрыв и двойной срез с протянутым заусенцем (рис. 3, б). Поверхность отверстия получается сравнительно гладкой, лишь в нижней части образуется небольшой шероховатый скол. Поэтому, если требуется получить отверстие с гладкими ровными стендами, следует производить пробивку с малым зазором между пуансоном и матрицей.
При вырубке с малым зазором твердых материалов двойного среза обычно не получается. В случае очень большого зазора на поверхности образуются рваные заусенцы от затягивания и обрыва металла в зазоре.
После возникновения скалывающих трещин величина изгибающего момента М резко падает, вследствие чего происходит уменьшение кривизны вырубаемой детали, увеличение ее размеров и распор детали в отверстии матрицы.
Металлографические исследования макро- и микроструктуры вырубленных деталей показывают, что металл в зоне резания претерпевает значительные структурные изменения и наклепывается. Глубина наклепанного слоя зависит от толщины материала, его свойств и первоначальной структуры, зазора и качества режущих кромок, а также от скорости вырубки.
На рис. 4 показано влияние скорости вырубки на форму среза вырубленной детали и на глубину наклепанного слоя при вырубке тонколистовой стали с числом ходов пресса 60, 120, 330 и 450 ход/мни [69].
При небольшом числе ходов пресса (60 ход/мин, рис. 4, а) глубина вдавливания пуансона до момента образования скалывающих трещин составляет 64% толщины материала. Пластическая стадия процесса вырубки сильно развита, а наклепанная зона довольно значительна.
При увеличении числа ходов пресса до 120 и 330 ход/мин (рис. 4, б и в) и повышении начальной скорости вырубки глубина вдавливания пуансона уменьшается соответственно от 50 до 27%. Пластическая стадия процесса значительно уменьшается, в связи с чем уменьшается величина наклепанной зоны металла.
Наконец, при быстроходной штамповке с числом ходов пресса 450 ход/мин (рис. 4, г) пластическая стадия и глубина вдавливания пуансона снижается до 14%, наибольшее развитие получает третья стадия процесса — скалывание. Большая часть поверхности среза представляет собой сравнительно ровный скол. Глубина наклепанного слоя невелика.
Локальный характер процесса разделения листовых металлов сопровождается резкой неравномерностью деформаций в зоне резания.
Новые исследования процесса разделения металла методом муаровых полос, выполненные В. И. Бером и Д . И. Суяровым [12], позволяют четко фиксировать границы пластической области и е высокой степенью точности вычислить локальные эллипсы деформации и направления локальных осей для большого количества точек в зоне резания, как показано иа рис. 5 для одной из промежуточных стадий процесса.
Установлено, что по мере углубления пуансона, происходит изменение границ пластической области и непрерывный рост локальных деформаций, сопровождаемый поворотом главных осей локальных эллипсов.
Локальные пластические деформации могут быть определены также по методу Моравецкого путем нанесения мельчайшей координатной сетки (плотность до 1200 ячеек на 1 мм2) с измерением деформации под микроскопом или по фотоснимку с 400-кратным увеличением [207].
Приводим оригинальные способы резки.
На рис. 6, а показан новый способ разрезки тонкостенных труб, без вдавливания отхода внутрь трубы. Вначале, движением поперечного ползуна с зубчатым резачком в зажатой трубе срезается шлиц высотой h ≈ 2S. Вслед за этим опускающийся отрезной пуансон копьевидной формы входит в прорезь трубы и отрезает отход, загибая его наружу. Поверхность среза получается более качественной. Штамп для резки указанным способом приведен в работе [84]. Там же описаны способы криволинейной резки труб и типовые пуаисоиы для резки профилированных заготовок. На рис. 6, б показан новый, внедренный на производстве способ холодной резки скосов иа кромках листовых заготовок. Сущность этого способа заключается в том, что срез кромки (фаски) происходит в результате вертикального перемещения плоского пуансона при одновременном горизонтальном перемещения матрицы. По мере движения штампа происходит постепенное сближение режущих кромок пуансона 1 и матрицы 2. Чистота среза соответствует 6-му классу шероховатости.
Последовательность процесса вырубки показана на рис. 3.
Процесс резания штампами также состоит из трех стадий: упругой, пластической и скалывания.
В первой стадии происходит упругий изгиб металла с легким выдавливанием его в отверстие матрицы. При этом напряжения в металле не превосходят предела упругости.
В пластической стадии происходят вдавливание пуансона в металл и выдавливание его в отверстие матрицы.
Вдавливание вырубного пуансона происходит не по всей торцовой поверхности, а лишь по кольцевому (или иной формы в плане) пояску шириной b. Такое же вдавливание наблюдается и со стороны матрицы. Отпечатки от локализованного вдавливания пуансона и матрицы остаются на вырубленной детали и отходе в виде смятой полоски вдоль контура резания.
В результате локализованного вдавливания пуансона и матрицы возникает круговой изгибающий момент, образованный силами резания, условно представленными на рис. 3, I и II равнодействующими нормальных напряжений.
Под действием кругового изгибающего момента заготовка получает пространственный изгиб (выпучивание), при котором с наружной (выпуклой) стороны заготовки возникает напряженное состояние двухосного растяжения, а на внутренней стороне — двухосного сжатия.
Непосредственно под режущей кромкой пуансона создается напряженное состояние объемного сжатия, а над режущей кромкой матрицы — напряженное состояние с напряжениями радиального растяжения. Первое более благоприятно для пластического течения металла, а второе — менее благоприятно и способствует возникновению микротрещин в зоне резания.
К концу второй стадии напряжения вблизи режущих кромок Достигают максимальной величины, соответствующей сопротивлению металла срезу.
Рис. 3. Последовательность процесса вырубки с поверхности среза
В третьей стадии процесса вырубки у режущих кромок матрицы образуются скалывающие трещины (рис. 3, III). После дальнейшего погружения пуансона и исчерпывания местной пластичности металла скалывающие трещины возникают и у режущих кромок пуансона (рис. 3, IV и V). Эта последовательность скалывания подтверждается тем, что блестящий поясок, соответствующий пластической стадии резания, на отходе значительно шире, чем на детали.
Скалывающие трещины, направленные по линиям наибольших деформаций сдвига (поверхностям скольжения), быстро распространяются на внутренние слои металла и вызывают отделение вырезаемой детали.
Во время первой и второй стадий вырубки скорость погружения пуансона уменьшается; а с начала третьей стадии — резко увеличивается. При дальнейшем движении пуансон проталкивает вырезанную деталь через рабочую шейку матрицы.
При нормальном зазоре между пуансоном и матрицей г, поверхности сдвига (линии скольжения), возникающие у режущих кромок пуансона, совпадают с поверхностями сдвига и трещинами, возникшими у режущих кромок матрицы, и образуют общую криволинейную поверхность скалывания (рис. 3, а).
При малом зазоре z2 и большой толщине материала поверхности сдвига, идущие от кромок пуансона, не совпадают с поверхностями сдвига, возникшими у кромок матрицы. Оставшаяся кольцевая перемычка перерезается при дальнейшем погружении пуансона с возникновением новых скалывающих трещин, причем на детали образуются надрыв и двойной срез с протянутым заусенцем (рис. 3, б). Поверхность отверстия получается сравнительно гладкой, лишь в нижней части образуется небольшой шероховатый скол. Поэтому, если требуется получить отверстие с гладкими ровными стендами, следует производить пробивку с малым зазором между пуансоном и матрицей.
При вырубке с малым зазором твердых материалов двойного среза обычно не получается. В случае очень большого зазора на поверхности образуются рваные заусенцы от затягивания и обрыва металла в зазоре.
После возникновения скалывающих трещин величина изгибающего момента М резко падает, вследствие чего происходит уменьшение кривизны вырубаемой детали, увеличение ее размеров и распор детали в отверстии матрицы.
Металлографические исследования макро- и микроструктуры вырубленных деталей показывают, что металл в зоне резания претерпевает значительные структурные изменения и наклепывается. Глубина наклепанного слоя зависит от толщины материала, его свойств и первоначальной структуры, зазора и качества режущих кромок, а также от скорости вырубки.
На рис. 4 показано влияние скорости вырубки на форму среза вырубленной детали и на глубину наклепанного слоя при вырубке тонколистовой стали с числом ходов пресса 60, 120, 330 и 450 ход/мни [69].
Рис. 4. Поверхности среза и глубина наклепанного слоя при вырубке с различным числом ходов пресса
Рис. 5. Неравномерность деформаций в зоне резания (по В.И.Веру)
При небольшом числе ходов пресса (60 ход/мин, рис. 4, а) глубина вдавливания пуансона до момента образования скалывающих трещин составляет 64% толщины материала. Пластическая стадия процесса вырубки сильно развита, а наклепанная зона довольно значительна.
При увеличении числа ходов пресса до 120 и 330 ход/мин (рис. 4, б и в) и повышении начальной скорости вырубки глубина вдавливания пуансона уменьшается соответственно от 50 до 27%. Пластическая стадия процесса значительно уменьшается, в связи с чем уменьшается величина наклепанной зоны металла.
Наконец, при быстроходной штамповке с числом ходов пресса 450 ход/мин (рис. 4, г) пластическая стадия и глубина вдавливания пуансона снижается до 14%, наибольшее развитие получает третья стадия процесса — скалывание. Большая часть поверхности среза представляет собой сравнительно ровный скол. Глубина наклепанного слоя невелика.
Локальный характер процесса разделения листовых металлов сопровождается резкой неравномерностью деформаций в зоне резания.
Новые исследования процесса разделения металла методом муаровых полос, выполненные В. И. Бером и Д . И. Суяровым [12], позволяют четко фиксировать границы пластической области и е высокой степенью точности вычислить локальные эллипсы деформации и направления локальных осей для большого количества точек в зоне резания, как показано иа рис. 5 для одной из промежуточных стадий процесса.
Установлено, что по мере углубления пуансона, происходит изменение границ пластической области и непрерывный рост локальных деформаций, сопровождаемый поворотом главных осей локальных эллипсов.
Локальные пластические деформации могут быть определены также по методу Моравецкого путем нанесения мельчайшей координатной сетки (плотность до 1200 ячеек на 1 мм2) с измерением деформации под микроскопом или по фотоснимку с 400-кратным увеличением [207].
Приводим оригинальные способы резки.
Рис. 6. Схема резки труб (а) и резки скосов на кромках листов (б)
На рис. 6, а показан новый способ разрезки тонкостенных труб, без вдавливания отхода внутрь трубы. Вначале, движением поперечного ползуна с зубчатым резачком в зажатой трубе срезается шлиц высотой h ≈ 2S. Вслед за этим опускающийся отрезной пуансон копьевидной формы входит в прорезь трубы и отрезает отход, загибая его наружу. Поверхность среза получается более качественной. Штамп для резки указанным способом приведен в работе [84]. Там же описаны способы криволинейной резки труб и типовые пуаисоиы для резки профилированных заготовок. На рис. 6, б показан новый, внедренный на производстве способ холодной резки скосов иа кромках листовых заготовок. Сущность этого способа заключается в том, что срез кромки (фаски) происходит в результате вертикального перемещения плоского пуансона при одновременном горизонтальном перемещения матрицы. По мере движения штампа происходит постепенное сближение режущих кромок пуансона 1 и матрицы 2. Чистота среза соответствует 6-му классу шероховатости.
