Черновая пробивка отверстий Пробивка — одна из распространенных операций листовой штамповки. Так, например, в приборостроении число штампованных изделий составляют 85— 90 % от общего выпуска. Основная часть этих деталей имеет отверстия. Пробивка отверстий на штампах при серийном и массовом производстве является самым производительным методом. Качество отверстий зависит от допуска на размеры пуансона и матрицы и соосности между ними. Если размеры больше или меньше допустимых, то необходимое усилие пробивки увеличивается, а стойкость штампа уменьшается несколько раз, и отверстие имеет заусенцы, повышенную шероховатость, трещины и др. Качество отверстий зависит также от толщины листового материала и его механических свойств. Необходимое усилие пробивки непосредственно связано с размером поверхности среза, маркой обрабатываемого металла, состоянием режущих кромок пуансона, матрицы и расстоянием между ними. На практике используют разные схемы для пробивки отверстий, основные из которых представлены в табл. 7.9. Для уменьшения усилия пробивки применяют пуансоны и матрицы со скошенными кромками. Когда матрица пробивает отверстие, ее кромки скошены, а при пробивке отверстий пуансоном его режущие кромки скошены, а матрица плоская.
Величина скоса Н зависит от толщины пробиваемого материала, но всегда меньше толщины листа.
При пробивке в листовой заготовке двух или более отверстий для уменьшения усилия используют ступенчатое расположение пуансонов. Когда пробиваются три отверстия, пуансоны с меньшим сечением должны быть короче. Разница расположения пуансонов по высоте приблизительно должна быть равной толщине обрабатываемого металла, но не выше ее.
Необходимое усилие пробивки отверстий пуансоном и матрицей с параллельными режущими кромками без прижима определяют по формуле
Р = Lsr0, (7.4) где L — длина контура отверстия; S — толщина листа; т0 — предел прочности на срез. Необходимое усилие пробивки отверстий с прижимом определяют по формуле где Пр = 0,05-^-0,10 — коэффициент, учитывающий влияние толщины листа; п — his — число деталей; h — высота цилиндрической части матрицы. Чистовая пробивка отверстий. При обычной пробивке отверстий в листовом материале в результате наличия зазора между матрицей и пуансоном поверхность отверстия получается шероховатой со значительными отклонениями геометрических размеров от заданных. В связи с этим применяют специальные методы чистовой пробивки, наиболее распространенные из которых следующие: пробивка отверстий с помощью ступенчатого пуансона; пробивка отверстий путем создания подпирающего усилия в зоне среза.
Ступенчатый пуансон за один ход одновременно пробивает, зачищает и калибрует отверстие. Существенный недостаток этого метода — быстрое изнашивание режущих кромок зачищающей части пуансона. Точная пробивка отверстий в условиях подпирающего усилия показана на рис. 7.4. Подпирающие усилия на заготовку создаются ребром 5 прижима 4. Ребро расположено по контуру прошиваемого отверстия. При вдавливании ребра в обрабатываемый материал часть смещенного металла создает подпирающее усилие в зоне пробиваемого отверстия, а в зоне среза возникает напряжение всестороннего сжатия, в результате чего после пробивки получают гладкое и точное по размерам отверстие. Усилие подпора при вдавливании клиновых ребер в обрабатываемый металл зависит от угла скоса ребер, расстояния между клином и отверстием, смазочного материала и толщины обрабатываемого металла и др. При пробивке отверстий в толстолистовых материалах рекомендуется использовать клиновые подпоры с двух сторон — со стороны матрицы и пуансона.
Способы точной пробивки отверстий диаметром меньше толщины листа s/d > 1. Пробивка небольших отверстий холодной штамповкой в серийном и массовом производстве относится к самым производительным процессам, но используется только для получения отверстий, диаметр которых равен или больше толщины листа.
Это ограничение связано со стойкостью пуансона, который в процессе пробивки малых отверстий теряет устойчивость и деформируется. Однако, по литературным данным [35, 57], для пробивки небольших отверстий созданы штампы, в которых для обеспечения устойчивости и прочности пуансона используют специальные направляющие элементы. На основе общих конструктивных признаков направляющие элементы могут быть разделены на три основные группы:
1) направляющие элементы типа шайб, втулок;
2) телескопические направляющие элементы;
3) направляющие по типу гидропневмоцилиндров.
В первой группе устойчивость пуансона обеспечивает набор специальных направляющих элементов: шайб, дисков, втулок, тарельчатых и винтовых пружин и промежуточных упругих элементов, а заданное направление создают центровочные штифты. Существенный недостаток элементов рассматриваемой группы — наличие свободных не направляемых участков пуансона. При сравнительно большой длине пуансона создаются условия для увеличения упруговолновой деформации по высоте в процессе пробивки отверстия, вследствие чего такие элементы не нашли широкого применения.
Во второй группе используют телескопические направляющие элементы, состоящие из двух телескопических втулок и упругого элемента. В исходном положении между втулками 1 и 3 находится свободная часть пуансона, вследствие чего в этой зоне возможна потеря устойчивости пуансона в процессе пробивки отверстия.
На рис. 7.8 показаны двухэлементные телескопические направляющие, имеющие втулки 1 и 2, которые благодаря своему профилю охватывают пуансон вдоль его оси. При рабочем ходе стабилизация пуансона возрастает за счет сближения втулок 1 и 2. Существенные недостатки элементов этой группы — большая трудоемкость изготовления телескопических втулок, неточность их механической обработки, наличие остаточных деформаций после термообработки, что ухудшает условия работы пуансона. Для предотвращения от продольного изгиба сравнительно тонких и длинных пуансонов используют направляющие по длине (телескопические направляющие с пружинящей опорой), которые показаны на рис. 7.9. В этой конструкции используют две скользящие относительно друг друга втулки 1 и 2. Пружина 3 служит для возвращения втулок в исходное положение и осуществления необходимого прижима к деформируемому материалу. Зона свободной длины между втулками заполняется набором резиновых и стальных шайб (колец) или спиральной пружиной 4, стабилизирующей пуансон по длине. Такая конструкция также не исключает возможность появления упруговолновой деформации в процессе пробивки.
К третьей группе относят направляющие в виде гидравлических или пневматических цилиндров, причем расстояние между направляющими пластинами регулируется объемом заполняемой жидкости. В этом случае в результате применения в системе питания жидкости усложняется технологическая оснастка и, кроме того, направляющие элементы имеют недостатки, присущие конструкциям первой группы.
Недостатки рассмотренных групп направляющих элементов не позволяют использовать рабочие органы из твердосплавных материалов, поэтому пробивка отверстий диаметром меньше толщины листа на практике все еще ограничена. В настоящее время небольшие отверстия получают сверлением монолитными твердосплавными сверлами. Для достижения высокого класса точности и необходимой шероховатости поверхности отверстий используют и процессы окончательной обработки (зенкование, развертывание предварительно полученных отверстий и др.). В табл. 7.10 приведены допуски при получении отверстий диаметром 0,5—2 мм различными способами. Внедрение в приборостроение точной штамповки отверстий ликвидирует трудоемкую операцию механической обработки. Путем точной штамповки можно пробивать отверстия 2—3-го класса точности при шероховатости R = 1,25-0,08 мкм.
На кафедре «Механическое приборостроение» ВМЕИ (Габрово) сконструирована и внедрена в производство инструментальная оснастка для точной штамповки с возможностью пробивки отверстий с отношением при обеспечении необходимой устойчивости против продольного изгиба пуансона в процессе деформации.
На рис. 7.11 показана конструкция штампа для точной пробивки отверстий диаметром меньше толщины листа с сепараторным направлением пуансона. Сепараторное устройство показано на рис. 7.12.
В корпусной детали смонтировано сепараторное устройство, в котором установлены сепараторная втулка и направляющая втулка, причем втулка обхватывает втулку. В зазоры между втулками установлены сепараторные ролики, которые обеспечивают центровку пуансона с предварительным натягом. Свободное пространство между втулками, пуансоном и роликами заполняется смазочным материалом.
Таким способом благодаря взаимному расположению деталей 1—3 обеспечивается необходимая устойчивость пуансона 1 и непрерывное смазывание его рабочей поверхности. Выталкиватель смонтирован в пуансоне 1 так, что пуансон является матрицей пробиваемого отверстия и фиксируется прижимом 5. Во время работы выталкивателей 2 и 7 создается противодавление при снятии заготовки с пуансона 5, которое по величине достаточно для устранения сил растяжения. Нажимная пластинка 6 из твердого сплава служит недеформируемой опорой пуансона 5. Эта конструкция штампа устраняет все недостатки направляющих элементов перечисленных выше групп и позволяет использовать твердые сплавы для производства пуансонов, упорных пластин и др.
Инструмент такой конструкции обеспечивает пробивку круглых и профильных отверстий размерами меньше толщины листа из различных материалов (сталь, латунь, алюминий), включая стали и сплавы с повышенной прочностью, а также и неметаллические материалы при высоком классе точности.
