Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Технологический процесс изготовления деталей

Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального обучения
«Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королёва
(национально-исследовательский университет
имени академика С.П. Королева)»

Факультет №4
Кафедра обработки металлов давлением

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«Технологический процесс изготовления деталей»
по курсу «Теория и технология листовой штамповки»

Выполнила: студентка группы № 452
Ящуринская Н.В.
Проверил: Попов И.П.
Оценка:
Дата:

Самара 2013

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Студенту группы № 452 Ящуринской Наталье Владимировне

1. Разработать технологический процесс изготовления деталей: полусфера, изготовленной из титанового сплава ОТ4-1М при партии 1000 штук.

2. Составить пояснительную записку с кратким технологическим анализом конструкции деталей, обоснованием выбора вида и размеров заготовки, обоснованием выбора основного и вспомогательного оборудования, штамповочного инструмента, расчетом и кратким описанием сконструированной оснастки и свойств деформируемого металла.

РЕФЕРАТ

Курсовой проект

Пояснительная записка: 40 стр., 8 рис., 10 табл., 3 приложения

Графическая документация: 1лист, формата А1

ВЫТЯЖКА, ВЫРУБКА, ФЛАНЕЦ, УСЛОВНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ВЫТЯЖКИ, РАСКРОЙ, НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ, УСИЛИЕ, РАБОТА, ЗАЗОР, ОБОРУДОВАНИЕ, ПРЕСС, ШТАМП, ПУАНСОН, МАТРИЦА, ПЛИТА.

В данном курсовом проекте разработан технологический процесс вытяжки полусферы, изготовленной из сплава ОТ4-1М. Дано описание свойств штампуемого материала, его термообработка и анализ напряжённо-деформированного состояния детали. Проведен технологический расчёт техпроцесса: определены размеры и форма заготовки, выбран вид и тип раскроя, рассчитано количество операций, пооперационные размеры, усилие и работа деформации. Выбрано деформирующее оборудование. Осуществлено проектирование штамповой оснастки: выбран тип штампа, выполнены конструктивные расчёты, сконструирован общий вид штампа и выполнена его деталировка.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Листовая штамповка является одним из видов обработки металлов давлением, производимой при помощи штампов на прессах.

Все холодноштамповочные операции могут быть разбиты на следующие основные группы: разделительные, формоизменяющие, комбинированные и штампо-сборочные операции. К одной из формоизменяющей операции относится вытяжка.

Вытяжкой в листовой штамповке называется процесс превращения плоской или полой заготовки в открытое сверху полое изделие, осуществляемый при помощи вытяжных штампов.

Вытяжку изделий из тонколистового металла в большинстве случаев производят в холодном состоянии. Вытяжку из толстолистового металла, а также из мало пластичных металлов (например, из магниевых сплавов) осуществляют при нагреве заготовки.

В настоящее время вытяжкой изготовляют всевозможные изделия: детали автомобилей, тракторов, самолётов, электрических машин, различных приборов и аппаратов, часовых механизмов, предметов народного потребления (кастрюли, бидоны, чайники и т. д.), различные кожухи, цоколи электрических и радиоламп и ряд других изделий металлопромышленности.

В настоящее время листовая штамповка нашла широкое применение во всех областях металлообработки [3].

1. СВОЙСТВА ШТАМПУЕМОГО МАТЕРИАЛА И ЕГО ТЕРМООБРАБОТКА

1.1 Характеристика титанового сплава ОТ4-1М

Важнейшими преимуществами титанового сплава перед другими конструкционными материалами являются их высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники. Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуются высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

Марка ОТ означает «Опытный титан» - сплавы, разработанные совместно ВИАМом и заводом ВСМПО (г. Верхняя Салда, Свердловской области).

Иногда в марку сплава добавляют буквы :

«У» - улучшенный,

«М» - модифицированный,

«И» - специального назначения,

«Л» - литейный сплав,

«В» - сплав, где марганец заменен эквивалентным количеством ванадия.

Листовая штамповка деталей простой формы может производиться в холодном состоянии; при штамповке деталей сложной формы необходим подогрев до 500 °С. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, причем прочность и пластичность сварного соединения практически одинаковы с основным металлом.

1.2 Химический состав и свойства сплава

Чистый Титан - химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии [2].

Таблица 1. Химический состав сплав ОТ4-1М

Химический состав в % сплава ОТ4-1М
Fe	C	Si	Mn	N	Ti	Al	Zr	O	H
до 0,3	до 0,1	до 0,15	0,7 - 2	до 0,05	94,13 - 98,3	1 - 2,5	до 0,3	до 0,15	до 0,012

1.3 Физические и механические свойства сплава ОТ4-1М

Твердость материала: HB 10 -1 = 197 - 255 Мпа

Таблица 2. Физические свойства сплава ОТ4-1М

Физические свойства сплава ОТ4-1М
T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	1.1		9.63	4550		1010
100		8	10.47
200		8	11.3		0.565
300		9.1	12.14		0.628
400		9.6	14.24		0.67
500		9.7	14.65		0.754
600		9.8	16.32

Таблица 3. Механические свойства сплава ОТ4-1М

Механические свойства сплава ОТ4-1 при Т=20oС
Прокат	Размер	Напр.	σв(МПа)	sT (МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)
Лист	1 - 2		600-750	570-30

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

2.1 Конструктивно-технологический анализ детали

Деталь представляет собой полусферу, без фланца и отверстий. Материал детали: титановый сплав ОТ 4-1М.

Деталь представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Изготовляемая деталь

Определим операции изготовления детали:

Резка листа на полосы
Вырубка круглых заготовок из полосы
Вытяжка детали

Технологические процессы холодной штамповки могут быть наиболее рациональными лишь при условии создания технологичной конструкции или формы детали, допускающей наиболее простое и экономичное изготовление. Под технологичностью следует понимать такую совокупность свойств и конструктивных элементов, которые обеспечивают наиболее простое и экономичное изготовление деталей при соблюдении технических и эксплуатационных требований к ним [4].

Эксплуатационно-технические требования к листовым штампованным деталям следующие:

- полное соответствие конструкции назначению и условиям эксплуатации детали;

- обеспечение требуемой прочности и жесткости при минимальном расходе металла;

- обеспечение необходимой точности и взаимозаменяемости;

- соответствие специальным физическим, химическим или техническим условиям.

Основными показателями технологичности листовой штамповки деталей являются:

- наименьший расход материала;

- наименьшее количество и низкая трудоемкость операций;

- отсутствие последующей механической обработки;

- наименьшее количество требуемого оборудования и производственных площадей;

- наименьшее количество оснастки при сокращении затрат и сроков подготовки производства;

- увеличение производительности отдельных операций и цеха в целом.

Общим результативным показателем технологичности является наименьшая себестоимость штампуемых деталей.

Основные технологические требования к конструкции полых листовых деталей, изготовленных вытяжкой [3]:

Необходимо по возможности избегать весьма сложных и несимметричных форм вытягиваемых деталей, прибегая к ним лишь в случае явной конструктивной необходимости.
Радиусы закруглений у фланца должны быть по возможности больше, а радиусы закругления у дна могут быть взяты меньшими: r³(2 ¸ 4) S. Сопряжение стенок с дном без радиуса закругления может быть выполнено путем дополнительной калибровки или при штамповке весьма толстых заготовок (D/S £20 при m> 0,7).
Необходимо избегать глубоких вытяжек с широким фланцем (D > 3d при h ³2d), требующих большого количества операций.
Полуоткрытые несимметричные формы полых деталей нужно проектировать, учитывая возможность спаренной вытяжки с последующей разрезкой на две детали.
В прямоугольных коробках следует избегать острых углов в плане и у дна детали, кроме случаев изготовления коробок методом холодного выдавливания.
При вытяжке полых деталей сложной конфигурации необходимо предусматривать те или иные технологические базы для фиксирования заготовок на операциях.

В зависимости от соотношения высоты и диаметра вытягиваемой детали, а также от относительной толщины заготовки вытяжка может быть выполнена за одну или несколько операций. Необходимо, чтобы вытяжка была произведена за наименьшее количество операций, выполняемых с возможно большей степенью деформации (относительное уменьшение диаметра и увеличение глубины вытяжки), без применения промежуточного отжига.

Степень деформации при вытяжке цилиндрических деталей может быть выражена одним из следующих показателей [3]:

(D-d)/d; (D-d)/D; ln(D/d); K=D/d; m=d/D=1/K,

где D-диаметр заготовки, мм; d-диаметр детали, мм; m-коэффициент вытяжки; К- степень вытяжки - величина, обратная коэффициенту вытяжки.

2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния и определение «опасных» мест очага деформации

2.2.1 Вырубка

Схема НДС операции вырубки, необходимой для получения заготовок в виде кружков представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема напряженно – деформированного состояния при вырубке.

Последовательность процесса вырубки показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Последовательность процесса вырубки и поверхность среза

Процесс резания штампами 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 происходит вдавливание пуансона в металл и выдавливание его в отверстие матрицы.

Вдавливание вырубного пуансона происходит не по всей торцевой поверхности, а лишь по кольцевому пояску толщиной b. Такое же вдавливание наблюдается и со стороны матрицы.

В результате локализованного вдавливания пуансона и матрицы возникает круговой изгибающий момент, образованный силами резания, условно представленными на рисунке 3, I и II равнодействующими нормальных напряжений. Под действием кругового изгибающего момента заготовка получает пространственный изгиб, при котором с наружной стороны заготовки возникает напряженное состояние двухосного растяжения, а на внутренней стороне – двухосного сжатия.

Непосредственно под режущей кромкой пуансона создается напряженное состояния объемного сжатия, а над режущей кромкой матрицы – напряженное состояние с напряжениями радиального растяжения. Первое более благоприятно для пластического течения металла 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 (рисунок 3, III). После дальнейшего погружения пуансона и исчерпывания местной пластичности металла, скалывающие трещины возникают и у режущих кромок пуансона (рисунок 3, IV, V).

Скалывающие трещины, направленные по линиям наибольших деформаций сдвига, быстро распространяются на внутренние слои металла и вызывают отделение вырезаемой детали. При дальнейшем движении пуансон проталкивает вырезанную деталь через рабочую шейку матрицы [3].

При нормальном зазоре z1 поверхности сдвига, возникающие у режущих кромок пуансона, совпадают с поверхностями сдвига и трещинами, возникающими у режущих кромок матрицы, образуют общую криволинейную поверхность скалывания (рисунок 3, а).

При малом зазоре z2 и большой толщине материала поверхности сдвига, идущие от кромок пуансона, не совпадают с поверхностями сдвига, возникающих у кромок матрицы. Поверхность получается сравнительно гладкой, лишь в нижней части образуется небольшой шероховатый скол.

2.2.2 Вытяжка

Вытяжка представляет собой процесс превращения плоской заготовки в полую деталь любой формы и производится на вытяжных штампах.

Вытяжка происходит за счёт пластической деформации, сопровождаемой смещением значительного объёма металла в высоту. При большой степени деформации, что соответствует глубокой вытяжке, и при небольшой толщине материала смещённый объём является причиной образования гофр на деформируемой заготовке. При малой степени деформации и при относительно большой толщине материала гофрообразования не происходит, так как в этом случае смещённый объём металла невелик, а заготовка устойчива.

На рисунке 4 приведены кривые изменения логарифмических деформаций () в разных точках вытянутого цилиндрического изделия A, B, C, D. Эти кривые показывают, что на участке данного закругления и несколько выше, где происходит утонение материала, деформация радиального удлинения превышает деформации тангенциального сжатия. На участке, где происходит утолщение материала, деформации тангенциального сжатия (укорочения) превышают по величине деформации радиального удлинения [4].

Рисунок 4. Деформации при цилиндрической вытяжке

Как видно из рисунка 4, деформация при вытяжке в действительности является объемной, а не плоской, как зачастую принимается при анализе процесса вывтяжки.

2.3 Определение размеров и форм заготовок

Для получения вытяжкой данной детали заготовка имеет форму круга.

Основным правилом для определения размеров заготовок при вытяжке является равенство объёмов заготовки и готовой детали, так как в процессе пластической деформации объём металла остаётся постоянным.

При вытяжке без утонения стенок изменением толщины материала обычно пренебрегают, и определение размеров заготовки производят по равенству площади поверхности заготовки и готовой детали с припуском на обрезку.

Рассматриваемый случай относится к вытяжке круглых деталей (являющихся телами вращения) простой формы без утонения материала.

Диаметр заготовки найдем по формуле [3, с. 97 табл. 32]:

Припуск на обрезку [3, с. 99, табл.34] для отношения:
h/d=300/600=0,5 равен 7мм.

2.3.1 Выбор вида и типа раскроя листового материала

Полосы нарезаем на гильотинных ножницах. Резку полос можно осуществлять вдоль и поперек листа. Вырубку круглых деталей можно производить при их однорядном и шахматном расположении. Рассмотрим два варианта расположения деталей при вырубке при продольном и поперечном раскрое листа. Для каждого варианта определим коэффициент использования материала, и результаты сведем в таблицу 4.

Лист:

Рисунок 5. Раскрой листа: а) – продольный; б) – поперечный.

1. Раскрой листа на полосы и однорядная вырубка деталей из полосы:

Рисунок 6. Схемы расположения круглых деталей на материале:

а – однорядная; б – двухрядная

2. Шахматное расположение деталей на полосе:

Рисунок 7. Шахматное расположение деталей на полосе

Полоса:

а) однорядное б) – шахматное

Рисунок 8. Расположение деталей на полосе

Однорядное расположение деталей на полосе при продольном раскрое листа:

Определим количество деталей на полосе:

, где

LП - длина полосы;

D – диаметр вырубаемой детали;

- величина перемычки.

Суммарная площадь деталей на полосе:

где Fд - площадь одной детали.

Ширина полосы:

Площадь полосы:

Коэффициент использования материала полосы:

Количество полос в листе:

Количество деталей в листе:

Коэффициент использования материала листа:

1. Однорядное расположение деталей на полосе, при поперечном раскрое листа:

Определим количество деталей на полосе:

Где LП - длина полосы;

D – диаметр вырубаемой детали;

- величина перемычки.

Суммарная площадь деталей на полосе:

Где Fд - площадь одной детали.

Ширина полосы:

Площадь полосы:

Коэффициент использования материала полосы:

Количество полос в листе:

Количество деталей в листе:

Коэффициент использования материала листа:

2. Шахматное расположение деталей на полосе при продольном раскрое листа:

Определим количество деталей на полосе:

Ширина полосы:

Площадь полосы:

Суммарная площадь деталей на полосе:

Коэффициент использования материала полосы:

Количество полос в листе:

Количество деталей в листе:

Коэффициент использования материала листа:

3. Шахматное расположение деталей на полосе при поперечном раскрое листа:

Определим количество деталей на полосе:

Ширина полосы:

Площадь полосы:

Суммарная площадь деталей на полосе:

Коэффициент использования материала полосы:

Количество полос в листе:

Количество деталей в листе:

Коэффициент использования материала листа:

Таблица 4 – Коэффициенты использования материала

Полоса	Однорядное расположение		Шахматное расположение
Лист	Продольный раскрой	Поперечный раскрой	Продольный раскрой	Поперечный раскрой
КИМ П	0,65	0,64	0,73	0,78
КИМ Л	0,55	0,33	0,87	0,72

Таблица 5. Результаты расчета экономичности раскроя листов

Вариант раскроя	Количество, шт.
Вариант раскроя	Полос из листа	Деталей из полосы	Деталей из листа
Поперечный однорядный	2	5	10
Продольный однорядный	2	3	6
Поперечный шахматный	1	11	22
Продольный шахматный	1	11	22

Таким образом, исходя из величин коэффициентов использования материала полосы и листа, шахматное расположение деталей на полосе при продольном раскрое листа имеет наибольший коэффициент использования материала.

Так как, при продольном раскрое листа получаем максимальный коэффициент использования металла, учитывая, что при продольном раскрое есть большая возможность рационального использования концевых отходов листов, выберем однорядное продольное расположение полосы на листе.

2.4 Установление количества и последовательности операций

Коэффициенты вытяжки цилиндрических деталей без фланца выражаются отношениями [3]:

Для первой вытяжки

Для второй вытяжки

Для последующих вытяжек

Установив правильную величину коэффициентов вытяжки по операциям, находят размеры последующих вытяжек:

, ,

Dзаг = 847мм., S = 5мм.

Относительная толщина заготовки

При вытяжке деталей сферической (полушаровой) формы коэффициент вытяжки постоянен и для любого диаметра равен m = 0,71

Диаметры переходов по средней линии:

Диаметр детали по средней линии 602,5мм.

Подсчитаем операционную высоту вытягиваемой детали [3, с. 125]

Данная деталь вытягивается за один переход.

2.5 Установление степени совмещенности операций

Этот вопрос определяет выбор конструкции штампа: комбинированного или последовательного. Обычно комбинированный штамп используется при изготовлении крупных деталей (300-1000 мм), а также при выполнении операций с элементами повышенной степенью точности.

В данном случае выбираем комбинированный штамп для вырубки заготовки и вытяжки.

2.6 Определение усилия и работы

Усилие вытяжки изменяется на протяжении рабочего хода пуансона, достигая максимума при глубине , где Н – полная глубина вытяжки.

На практике получили применение инженерные формулы для определения усилия вытяжки, которые исходят из известного положения, что допустимые напряжения в опасном сечении должны быть меньше разрушающих, а следовательно, наибольшее усилие предельно возможной вытяжки должно быть несколько меньше усилия, необходимого для разрыва боковых стенок изделия около дна (в опасном сечении), . Рассчитаем усилие вытяжки [3]: