Особливості процесу штампування та конструкції штампів

Штампування як високопродуктивний процес механічної обробки матеріалів тиском знаходить широке застосування при виготовленні деталей машин та приладів. При обробці тиском забезпечується отримання як готових деталей, і заготовок (напівфабрикатів) під подальшу обробку різанням, т. е. зі зняттям стружки.

Процес обробки матеріалів тиском здійснюється на пресах різної конструкції.

Основними різновидами процесу обробки матеріалів тиском є гаряче і холодне кування і штампування, які в свою чергу включають операції прокатки, пресування, волочіння і безпосередньо кування і штампування.

Широко застосовується в приладобудуванні високопродуктивнийпроцес листового холодного штампування, яке має переваги перед іншими видами механічної обробки матеріалів. При холодному штампуванні є можливість отримувати міцні та жорсткі деталі складної форми та високого ступеня точності.

Штампи, що використовуються при холодному штампуванні, класифікуються як за масою, так і за технологічною та конструктивно-експлуатаційною ознаками. Штампи по масі поділяються на п'ять груп: дрібні (10—30 кг), невеликі (до 70 кг), середні (150—200 кг), великі (400—500 кг) і великі (3000— 5000 кг). У приладобудуванні найчастіше використовуються дрібні та невеликі штампи. У свою чергу класифікація штампів за технологічною ознакою проводиться у відповідності з основними виконуваними ними процесами та операціями холодного штампування.

Найбільш відповідальними елементами штампів є їх робочі деталі - матриця і пуансон, які закріплюються відповідно нанижній плиті та в пуансонодержателі штампу. Для забезпечення правильного напрямку пуансона при роботі штампу служать напрямні втулки та колонки, кріплення яких здійснюється відповідно у верхній та нижній плитах. Встановлення та закріплення верхньої частини штампу в повзуні преса здійснюється за допомогою хвостовика. Для установки заготовки, що штампується, на матриці закріплюються спеціальна рамка і направляючі планки або фіксатори, а для зняття деталі є знімач.

Класифікація штампів

За ступенем суміщення операцій штампи бувають прості, що виконують тільки одну операцію, і комбіновані, що проводять по дві і більше операції.Комбіновані штампи у свою чергу розрізняються за характером поєднання операцій та переходів у часі на штампи послідовної та поєднаної дії. У крокових штампів послідовної дії виготовлення деталі проводиться за кілька переходів під різними пуансонами при послідовному переміщенні смуги заготовки, що штампується. Навпаки, у штампів суміщеної дії отримання деталі здійснюється за один перебіг преса концентрично розташованими пуансонами при незмінному положенні заготовки. У штампів послідовно поєднаної дії виготовлення деталі відбувається шляхом поєднання послідовної та поєднаної штампувань.

За конструктивним виконанням штампи бувають без напрямних і з напрямними пристроями.Штампи без напрямних пристроїв простіші у виготовленні, мають порівняно невелику масу та габаритні розміри, але незручні при встановленні їх на пресі та небезпечні в експлуатації.

Вирубні та пробивні штампи без напрямних пристроїв застосовуються в основному в індивідуальному (дослідному) та дрібносерійному виробництві. У серійномувиробництві штампи без напрямних пристроїв використовуються в основному для простого згинання, витяжки, карбування та видавлювання. Порівняно складні за конструкцією штампи з напрямними пристроями більш надійні в експлуатації, широко застосовуються в серійному та масовому виробництві. Штампи поділяються як за способом подачі та встановлення заготовок, так і за способом видалення деталей та відходів. У першому випадку штампи бувають з ручною та автоматичною подачею, а в другому — розрізняють штампи з провалом деталей через отвір у матриці, а також із зворотною вставкою деталей у стрічку та видаленням їх разом зі стрічкою (у так званих компаундних штампах). Крім цього, є також штампи зі зворотним виштовхуванням деталей на поверхню штампу та видаленням їх струменем стисненого повітря.

Працездатність штампів багато в чому залежить від правильності вибору матеріалу та розмірів їх робочих деталей. Матриці та пуансони штампів залежно від їх конструкції, властивостей і товщини матеріалу, що штампується, виготовляються зі сталей марок У8А, У10А, Х12М, ХВГ, ШХ15СГ, Х6ВФ, 7ХГ2ВМ з HRC3 57—59 і твердих сплавів ВКЮ, ВКЮ. Стійкість твердосплавних штампів значно вища за сталеві. Найбільша твердість має бути у сталевих матриць на глибині не менше половини її висоти і на відстані не менше 5 мм по колу робочого контуру, а у пуансона по всій висоті. Несучі елементи штампів (плити, планки та ін) виготовляються з конструкційних сталей 30 і 45, а напрямні елементи (втулки, колонки та ін) з маловуглецевої сталі 20Х з подальшою цементацією.

Виготовлення штампів

Для спрощення технологічного процесу виготовлення штампів проводиться стандартизація їх деталей, наприклад блоків у зборі, що включають нижні та верхні плити, направляючі колонки, втулки тат.д.

Точність деталей, що штампуються (квалитет 8—14) залежить від точності робочих деталей штампу (квалітет 6—11). Тому при проектуванні та виготовленні штампів велика увага повинна приділятися точності виконавчих розмірів та конфігурації профілю робочої частини матриці та пуансону. Як вихідні дані при розрахунку робочих частин штампів приймаються номінальні розміри і допуски на деталь, що штампується. Для вирубних та пробивних штампів методика розрахунку відповідних виконавчих розмірів матриці та пуансону залежить від призначення штампу.

У штампі для вирубки деталей матриця приймається як основна деталь, а найменший технологічний зазор забезпечується за рахунок діаметра пуансона. За номінальний приймається діаметр, менший за номінальний діаметр штампованої деталі на допуск.

При великих партіях деталей, що штампуються, з трансформаторного заліза та з інших важкообробних матеріалів робочі частини штампів слід виготовляти з твердого сплаву марок ВК15, ВКЗО. Стійкість таких штампів між переточками становить до 200 тисяч ударів, тоді як стійкість сталевих не перевищує 2-3 тисячі ударів. Твердосплавні матриці і пуансони виготовляються з пластифікованих твердих сплавів, після чого проводиться необхідна механічна обробка, а потім заготовки твердосплавні піддаються остаточному спіканню і чистовій обробці алмазними абразивними інструментами. Раніше був представлений твердосплавний штамп для послідовного безвідходного штампування пластин трансформаторного заліза.

При виготовленні великогабаритних штампів на даний час широко використовуються пластмаси на основі епоксидних та акрилових смол, а також фенопласти, що значно знижує трудомісткість виробництва штампів. Напилення пластмас на макети такаркаси елементів штампу зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних установок, після чого зверху наносяться міцніші шари суміші зі скловолокна і сполучної речовини товщиною до 1,5-3 мм. Отриманий шар накочується за допомогою гумових роликів. Як каркас в залежності від розмірів штампу використовуються метал, дерево і маса піску.

За останні 15—25 років для виготовлення деталей, що працюють в агресивних середовищах, вакуумі, швидкісних потоках середовища або при підвищених температурах, почали широко застосовуватися корозійностійкі та жароміцні сталі та сплави, що важко обробляються. Вони мають підвищені фізико-механічні властивості.

Великі габаритні розміри і товщина заготовок, складність форми і високі вимоги до точності деталей, що виготовляються, ставлять такі завдання, як створення потужного пресового обладнання, що має робочу площу столу 25—30 м2 і більше, а також виготовлення складних і великогабаритних нагрівальних пристроїв, що дозволяють виробляти деформування. з малопластичних матеріалів у нагрітому стані, а також трудомісткої та металомісткої технологічної оснастки.

Високоенергетичні методи штампування

У промисловості починають широко застосовуватися такі високоенергетичні методи штампування:

- тиском ударної хвилі під час вибуху вибухових речовин у воді (вибухова штампування);

- дією високовольтного електричного розряду в рідині (електрогідравлічне штампування);

- Імпульсами магнітного поля високої напруженості (магнітно-імпульсна штампування).

Вибухова штампування заснована на деформації листової заготовки тиском ударної хвилі, що утворюється при вибуху вибухових речовин у баку з водою. Штампи для вибухового штампування являють собою матрицю,має робочу порожнину відповідної форми з отворами видалення повітря.

Для великогабаритних деталей металеві матриці важкі та дорогі. У цьому випадку їх часто роблять із дерева або залізобетону з облицюванням склопластиком.

Електрогідравлічне штампування засноване на електрогідравлічному ефекті, відкритому радянським винахідником Л. А. Юткіним. Енергія, необхідна для електричного розряду, накопичується у високовольтній батареї. За рахунок цієї енергії між електродами створюється розряд тривалістю 0,00004 с, що викликає появу ударної хвилі рідини, яка деформує заготівлю, змушуючи прийняти її форму матриці.

Сутністьштампування імпульсним магнітним полем полягає в наступному: при імпульсному розряді електричного струму високого потенціалу на котушку в ній утворюється потужне магнітне поле, яке впливає на заготівлю. Вихрові струми, що виникають на поверхні заготовки, утворюють своє магнітне поле, яке, взаємодіючи з первинним полем, викликає ефект «відштовхування» заготовки від витків котушки. Заготівля деформується, беручи профіль матриці.