Конструирование и расчет штампов для холодной объемной штамповки

В соответствии с классификацией технологических операций рабочий инструмент можно разбить по группам сложности, которые различаются числом рабочих деталей в комплекте инструмента, требуемой закономерностью их перемещений относительно друг друга, формой и размерами очага деформации, точностью исполнительных размеров. Пуансоны, матрицы, оправки и пуансоны-выталкиватели согласно конкретному назначению воспринимают нагрузки, вызывающие в них определенный характер напряженного состояния, и соответственно имеют характерные для них опасные зоны, переходы, сечения. Поэтому рассматривают отдельно каждую рабочую деталь с выделением особенностей конструкции в зависимости от условий эксплуатации. Пуансоны и оправки. По общему конструктивному оформлению пуансоны можно подразделить на сплошные с гладкой боковой рабочей поверхностью (а), с рабочим пояском (б), ступенчатые, выполненные заодно с оправкой (в), полые с неподвижной оправкой (г) и с подвижной оправкой.
По функциональному назначению в пуансоне выделяют рабочую L, переходную L и посадочную части. На рабочей части в некоторых случаях особо выделяют головку, которая непосредственно воспринимает технологическое усилие, на посадочной — центрирующие и опорную. Пуансоны разрушаются в зонах концентрации напряжений, и изнашивание рабочей части превышает допустимое. Если конусная и переходная части пуансона выполняются с углом, равным 60° относительно продольной оси, то концентрация напряжений незначительна. При увеличении отношения Dn/dp коэффициент концентрации напряжений увеличивается. При уменьшении размера посадочной части Dn до (1,01—1,08) dp можно создать в пуансоне более равномерное распределение напряжений. Один из важных конструктивных факторов, определяющих стойкость пуансонов, — радиус перехода R от посадочной к рабочей части. При сжатии, а так же при сжатии с изгибом уменьшение R приводит к резкому повышению коэффициента концентрации напряжений. Оптимальным считают R = (0,3-r-0,4) cL при Dnldp = 1,1-1,08. v Высокая концентрация напряжений имеет место в нижней рабочей части пуансона, в которой распределение напряжений сложное и зависит от вида выполняемой технологической операции. Общее требование к конструкции рабочей части пуансонов — обеспечение плавности переходов от одного диаметра к другому, отсутствие подрезов, рисок и царапин, поэтому рабочую часть пуансона полируют, что уменьшает концентрацию напряжений. На рис. 2.40 показаны типовые конструкции пуансонов. Пуансоны для предварительной калибровки заготовок имеют конфигурацию торцовой поверхности, соответствующую требуемой форме торца заготовок. При калибровке заготовок с плоским торцом стойкость пуансона невысокая. Замена плоского торца конусной поверхностью с углом а = 1-г-2° увеличивает стойкость в несколько раз. Выступы на торцовой поверхности пуансона нужны чаще всего для образования углублений на заготовке, служащих для центрирования пуансонов последующих переходов. Стойкость пуансонов для калибровки во многом зависит от схемы калибровки, жесткости пресса, качества и точности объема заготовок, отношения длины откалиброванной части к длине заготовки после калибровки. Пуансоны для прямого выдавливания можно подразделить на пуансоны без оправок и с оправками для получения сплошных и полых изделий соответственно. У пуансонов без оправки для увеличения стойкости рекомендуется рабочий торец выполнять со скосом под углом 1—2°, что улучшает кинематику течения металла. Размер d принимается по размеру контейнера матрицы, чтобы обеспечить зазор между ними, равный 0,3—0,5 мм, для компенсации упругих деформаций сжатия пуансона. Оправки предназначены для ограничения радиального течения металла и получения полости заданных поперечных размеров (см. рис. 2.15). Применение сплошных пуансонов с оправкой (см. рис. 2.38, в) нецелесообразно, так как во время выдавливания оправка под действием изгибающих и растягивающих напряжений отрывается.
 Оптимальной конструкцией является составной пуансон с подвижной оправкой (рис. 2.38, <3; рис. 2.40, в), которая перемещается в пуансоне по скользящей посадке. Торцы пуансона и поверхность оправки шлифуют и полируют. Для облегчения извлечения оправки из поковки ее рабочую часть, если это допустимо конструкцией поковки, нужно делать конической с углом 30' (рис. 2.40, в). Для получения полых деталей с высокими требованиями по минимальной разностенностн оправки можно центрировать в нижней части инструмента.
 Пуансоны для формообразования полости, в частности для обратного выдавливания, несут нагрузку на 20 % и больше, чем при других схемах штамповки, с одинаковой относительной деформацией. Напряженное состояние рабочей части пуансонов сильно зависит от конструктивного оформления головки пуансона: радиусов переходов, угла конусности торца, наличия и относительного диаметра площадки в центре торца головки и др.
 Для обеспечения продольной устойчивости высота рабочей части пуансона Lp не должна превышать (2—2,5) dn. Чтобы предотвратить продольный изгиб пуансонов, используют направляющие втулки, что позволяет увеличить отношение высоты рабочей части Lp к диаметру du до 5 : 1 и больше. Для повышения стойкости головки против изнашивания могут быть применены сборные конструкции пуансонов. Головку пуансона изготовляют из твердого сплава типа ВК20 и соединяют с остальной рабочей частью диффузионной сваркой. При использовании стальных пуансонов для выдавливания стали необходимо, чтобы за каждый переход глубина вновь образующейся полости была не более 0,8— 1,0 диаметра рабочей части пуансона. Самый распространенный вид разрушения пуансонов для обратного выдавливания — появление трещин на поверхности пуансона вследствие усталости. Рабочая часть пуансона для обратного выдавливания по мере выдавливания смещается относительно оси полости матрицы, что приводит к появлению поперечной силы и, соответственно, поперечному изгибу пуансона. Окончательное разрушение пуансонов происходит преимущественно при обратном ходе ползуна, когда на него действует растягивающее усилие. Основные факторы, вызывающие появление эксцентричной нагрузки и боковой увод пуансона, — неточность при изготовлении деталей штампов (плоскостность и параллельность опорных поверхностей плит и опор должна быть в пределах 0,01 на 100 мм, перпендикулярность оси пуансона к опорным торцам — в пределах 0,01—-0,02 на всей длине), нарушение соосности пуансона и матрицы под нагрузкой из-за недостаточной поперечной жесткости пресса и штампа, неточное фиксирование первоначального положения пуансона, неточное центрирование заготовки в матрице, непараллельность торцов заготовки, отклонение формы и направления волокна заготовки от осевой симметрии. Эксцентричность нагрузки заметно снижается вследствие оптимизации профиля торца пуансона (наличие площадки, малый угол конуса), и разбиении процесса выдавливания полости на несколько переходов, применении направляющих элементов штампов и предварительной калибровки заготовок.