Операции листовой штамповки

Магний и его сплавы хорошо поддаются различным операциям листовой штамповки с нагревом. К числу такого рода операций, помимо ручной штамповки, можно отнести следующие:
- прямоугольную гибку на кромкогибочном прессе;
- ротационную гибку;
- штамповку резиной;
- глубокую вытяжку и гибку в штампах;
- обработку на токарно-давильных станках;
- штамповку на молоте;
- штамповку взрывом;
- раздачу.
Смазки. При деформации при высоких температурах в качестве смазки успешно используют коллоидальный графит, спиртовую суспензию которого напыляют или накатывают на листовую заготовку. Графит в смеси с 20% жира наносят также на инструмент. Очистка от графита затруднена, но удовлетворительные результаты получают при погружении готовой детали на длительное время в щелочной раствор, а затем на 5 мин в раствор, содержащий 10% CrO3 и небольшое количество азотнокислого кальция или натрия. В качестве смазки применяют также дисульфид молибдена, который, в отличие от графита, не вызывает коррозии металла при неполном удалении.
Для листовой штамповки при температурах не выше 250° С хорошие результаты получают при применении смазок на основе растительных жиров.
Для более низких температур порядка 200° С используют сухую смазку — мыльный порошок. При ротационной ковке смесь стеклянного волокна со смазкой наносят на лист и пуансон для предотвращения налипания металла.
Подготовка заготовок к штамповке. Рекомендуются следующие способы хранения и подготовки заготовок к операциям листовой штамповки:
1) хранить листы следует в теплом, хорошо вентилируемом помещении, избегая контакта с деревом, рифленным картоном и т. д. В случае необходимости для хранения применяют белую вощеную бумагу;
2) поскольку графит трудно удалять с поверхности магниевых сплавов, обработанных в хромовом растворе, для листовой штамповки с использованием графитовой смазки лучше применять промасленные (например, ланолином) листы. Листы очищают перед нанесением графитовой смазки. При штамповке листов, обработанных в хромовом растворе, необходимо предварительно очистить листы и удалить пленку;
3) листы толщиной менее 6,5 мм можно резать на гильотинных ножницах. При резке листов из высокопрочных магниевых сплавов толщиной более 1,6 мм и листов из мягких сплавов толщиной более 2,0 мм может потребоваться специальная обработка кромок. Плиты толщиной более 6,5 мм режут на пиле;
4) заготовки из листов толщиной до 6,5 мм получают вырубкой или пробивкой. Желательно обрабатывать грубую кромку заготовок из листов высокопрочных сплавов толщиной более 0,80 мм и листов из мягких сплавов толщиной более 1,60 мм. При использовании пробойника диаметром до 6,5 мм для вырубки заготовок из листов толщиной до 4,0 мм получают достаточно хорошее качество кромок. Нагрев листов существенно не влияет на качество кромок заготовки.
Листовая штамповка без нагрева. Ниже рассматривается возможность листовой штамповки без нагрева. Даже в тех случаях, когда возможна холодная штамповка, лучшие результаты получают при ведении операции с нагревом. Гибку в роликах обычно производят без нагрева. Необходимо тщательно следить за состоянием роликов. Между роликами и листом металла следует проложить лист бумаги.
Минимальный радиус при изгибе на 90° для отожженного листа сплава AZ31B—0 составляет 5Т—10Т (Т — толщина листа). Лист из сплава AZ31B—0 можно гнуть до 2Т. Возможны радиусы изгиба, равные 10Т—207 для нагартованного листа. Повышенные значения радиуса изгиба получают при гибке в роликах для более прочных сплавов, степень доформации в этом случае составляет 15—20%. Штамповка резиной представляет собой одноосную штамповку с минимальным радиусом изгиба 8Т, максимальное удлинение при этом составляет ~5% и утяжка почти равна нулю. В результате гибки без нагрева получают большую упругую отдачу (рис. 205).

Ручная штамповка. Ручной штамповкой обычно пользуются для изготовления макетов, образцов, для исправления дефектов и т. д. Инструмент и лист можно нагревать одновременно в печи или при помощи газовой горелки; оператор замеряет температуру с помощью контактной термопары, термокарандашом, методом обугливания специальной бумаги или просто визуально.
Штампы лучше всего изготавливать из магния, чтобы сохранить свойственные этому металлу высокую способность к обработке резанием и теплопроводность, а также, чтобы не создать разницу в коэффициентах расширения.
Минимальный радиус изгиба 1T—4T зависит от сплава и температуры деформирования.
Выколотку изготавливают из пластмассы, кожи, резины или мягкого металла.
Прямоугольная гибка на кромкогибочном прессе. Кромкогибочный пресс применяют для получения изделий с более острым углом изгиба, чем при гибке без нагрева. В этом случае лист нагревают обычно до температур, приведенных в табл. 57. Для сплавов, содержащих торий, рекомендуются температуры 400—430° С.
Для изготовления инструмента применяют следующие материалы: для внутренней части штампа — малоуглеродистую сталь, для внешней части штампа при гибке вхолодную листов толщиной до 3,2 мм — резину в стальной U-образной выемке, при горячей гибке — сталь.
Имеются сведения о геометрии инструмента и деформируемости при гибке. Так, в работе Конена приведены данные о ширине штампов и минимальной ширине фланцев. Для получения угла изгиба 90° среднее дробное удлинение (E) можно выразить формулой

где T — толщина листа; R — радиус пуансона.

Из рис. 203 следует, что увеличение растяжения вдвое может быть получено при определенной температуре и скорости деформации и что в этих условиях материал должен быть достаточно пластичен. Скорость деформации необходимо рассчитать для каждого пресса отдельно; так, для пресса, работающего со скоростью 36 ходов/мин и снабженного матрицей шириной 7Т, пуансоном радиусом 2T (где T = 1,27 мм), расчетная скорость деформации составляет 0,35 м/мин.
Для скорости деформации, равной 0,6 м/мин. Конен приводит следующие минимальные значения радиуса изгиба (рис. 206):

Температура матрицы не имеет решающего значения и обычно может быть ниже, чем температура листа, так как контакт между ними кратковременный. Стальные матрицы можно нагревать электрическими нагревателями или газовыми горелками, верхняя и нижняя поверхности комплекта матриц (без покрытия) должны иметь асбестовую изоляцию.
При автоматической работе пресса можно использовать низковольтный нагреватель сопротивления, инструмент изготавливают из стандартной малоуглеродистой стали.
Ротационная гибка. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются ротационной гибкой с нагревом; таким способом обрабатывают детали сложной формы. В этом случае наблюдается разница в растяжении одних слоев относительно других, что аналогично явлению, возникающему при холодной деформации алюминиевого сплава L40. Рекомендуемая максимальная степень деформации 12%, хотя практически эта величина может быть выше 15%, особенно при очень малых скоростях перемещения пуансона. Относительную разницу в растяжении поверхностных слоев можно выразить формулой

где L — длина самого растянутого слоя заготовки;
S — длина самого короткого слоя заготовки, параллельного L.
В США ротационной гибке подвергают листы размером 1,8x10 м.
Необходимо отметить следующее. Листы из магниевых сплавов склонны к образованию складок в процессе гибки, в частности когда обработка ведется на прессе двойного действия. Образовавшиеся складки трудно удалить. Лучший метод избежать складкообразования заключается в оснащении штампа механическими предохранителями в виде угловых элементов, установленных параллельно направлению деформации.
Ротационную гибку листов из сплава AZ31 лучше всего вести при относительно низких температурах, т. е. при 130—180° С, когда прочность при растяжении еще достаточно высока.
Штампы могут быть изготовлены из легкоплавкого сплава кирксайт, твердых пород дерева, бетона или гипса.
Обычно нагревают либо штамп, либо лист. В случае, когда площадь контакта в начале операции между листом и штампом велика, рекомендуется нагревать и штамп, и лист. При применении штампа из неметаллических материалов для нагрева листов перед деформацией следует использовать электронагреватели сопротивления, работающие на постоянном токе низкого напряжения.
В зависимости от механических характеристик сплава предусматривается допуск на упругую отдачу около 1%.
Следует избегать применения прижимов с острыми кромками, которые могут стать причиной трещинообразования; лучше использовать прижимы фрикционного типа. Хорошие результаты дает применение в качестве прокладок наждачной бумаги.
Штамповка резиной. Процесс ведут на гидравлическом прессе, при этом лист вдавливается в штамп резиновым пуансоном. Этот способ применяют для производства небольшого числа мелких штамповок. Материалом для штампов может служить магний. Штамп прикрепляют к нижней подвижной плите, а в верхней неподвижной плите имеется устройство для установки резиновых листов или мягких прокладок (Гуерин-процесс), резиновых пластинок (Марфарм-процесс) либо эластичной диафрагмы, заполненной жидкостью (Гидроформ процесс) Деформацию ведут при повышенной температуре. Сложные заготовки из магния и его сплавов можно делать с большей точностью, чем аналогичной формы заготовки из алюминиевых сплавов При штамповке с нагревом можно достичь больших степеней деформации без образования складок Величина упругой деформации практически ничтожна. Процесс штамповки резиной подробно описан Фильдингом.
Нагартованные листы из сплавов AZ31 и ZW3 нагревают до 160—180° С, а отожженные листы из сплавов AZ31 и ZW 3 до 250—320° С. Обычно нагревают лист и штамп. Листы можно нагревать либо в печи вместе со штампом, либо путем теплопередачи от нижней плиты, снабженной плоскими электронагревателями. Нагартованные листы лучше нагревать быстро и отдельно от штампа.
При штамповке вхолодную (которую обычно не рекомендуют применять) для изготовления штампов используют гипс, бумагу на резиновой основе, прессованную бумагу, легкоплавкий сплав (кирксайт). Для формовки резиной с нагревом штампы изготавливают из магния или алюминия. Штампы из магния могут быть обработаны с помощью обычного инструмента, применяемого для механической обработки дерева.
Рекомендуемые давления обычно составляют 55—85 кГ/см2. Минимальные давления, потребные для уменьшения упругой отдачи до постоянного малого значения, зависят от марки сплава, температуры деформации, толщины листа и геометрии рабочих частей штампа. Значения минимальных давлений будут выше, если процесс ведется при более низких температурах и если формуются более толстые листы Увеличение давления может привести к различного вида дефектам.
При штамповке фланцев радиус изгиба составляет обычно не более 2—5 Т. Рекомендуемая степень деформации фланца — до 25%, однако можно применять большие значения для закругленных фланцев. Для фланцев, имеющих напряженное состояние сжатия, обычно степень деформации составляет 3—5%, более высокие значения можно получать при обработке давлением плит и листов небольшой длины.
При отбортовке высота буртика не должна превышать 1/4 ширины буртика заготовки, легче формуются наружные буртики.
Глубокая вытяжка и гибка в штампах. Выше говорилось о возможности глубокой вытяжки магния и его сплавов с нагревом за одну операцию. Возможны большие степени деформации, чем при холодной штамповке алюминия или стали; потребны меньшие удельные давления, чем при обработке таким же способом других материалов. Степень деформации достигает 70%, высота полученного изделия может быть вдвое больше его дна метра: так. из заготовки диаметром 600 мм формуют стакан диаметром 200 мм и высотой 400 мм. Обычно штамповка производится медленно при скорости перемещения пуансона около 250 мм/мин. Кроме того, можно подучать глубокие вытяжки, применяя механические скоростные прессы, оборудованные упpyгими прокладками на штампах Молнар получал степень деформации 50% при скорости около 25 м/мин.
Процесс ведется при температуре 200° С, т е. тогда, когда можно применять смазки на основе мыла, что исключает проблему удаления графита.
Оптимальные температуры ведения процесса приведены на рис. 207.

Вытяжная матрица и прижимная плита изготавливаются из стали толщиной 40—80 мм. Матрицу и плиты подвергают термообработке после механической обработки Штамп изготавливают из чугуна, магния или кирксайта.
Вытяжную матрицу и прижимную плиту нагревают одновременно газовыми горелками или электрическими нагревателями. Нет необходимости в специальном нагреве штампа. В некоторых случаях требуется водяное охлаждение штампа для поддержания оптимальной температуры. При нагреве листов лучше применять плоские нагреватели.
Некоторые рекомендуемые технологические особенности глубокой вытяжки приведены на рис. 208. Для получения деталей более сложной формы с наклонными стенками используют разъемные стальные матрицы. В этом случае нагревать необходимо обе части матрицы.
Матусцевский и Киш описали процесс гибки на прессе плиты толщиной 38—50 мм из отожженного сплава AZ31. Рабочая температура составляла 315—350° С, т. е. была ниже температуры, применяемой при обычной штамповке заготовок той же толщины из того же сплава. Заготовку предварительно нагревали до 400° С и примерно на 30° С ниже для каждой последующей операции, если в ней была необходимость. Пуансон и матрицу нагревали во всех случаях до температуры 260° С. Были изготовлены штамповки высотой, более чем в два раза превышающей их диаметр.

Обработка на токарно-давильных станках. Токарно-давильные работы для магния и его сплавов осуществляют тем же путем, что и для алюминиевых сплавов, но процесс ведется с нагревом. Инструмент изготовляют из магния, стали или кирксайта. Инструмент может нагреваться газовыми горелками изнутри, если он полый, или паяльной лампой снаружи Листы также нагревают паяльной лампой. Температура деформации обычно составляет 250—360 С Листы из сплава AZ31 должны быть в отожженном состоянии. Контроль температуры осуществляют с помощью инфракрасных пирометров. Для обработки деталей большого размера создана специальная машина, на которой обрабатывают детали цилиндрической и конической формы диаметром до 3 м и длиной до 9 м.
В качестве смазок используют мыло, графит на жировой основе, а также смесь порошка алюминия и стеариновой кислоты. Инструмент может быть изготовлен из полированной инструментальной стали, твердых пород дерева и т.д.
Штамповка на молоте. Этот метод имеет важное значение для изготовления неглубоких деталей большого размера (рис. 209). В этом случае требуется меньше операций, чем при обработке деталей без нагрева из алюминиевого сплава L70, складкообразование и упругая деформация также уменьшаются. Листы из сплава AZ31 должны быть в отожженном состоянии, поскольку штамповку желательно проводить при максимально возможной температуре. Штамповки получают с менее точными допусками на размеры, чем при других способах. Температура деформирования 300° С.

Пуансон изготавливают из свинца, матрицу — из легкоплавкого сплава (кирксайт) или чугуна с шаровидным графитом.
Листовую заготовку нагревают отдельно. Пуансон можно нагревать без особых мер предосторожности, но при температурах порядка 120° С пуансон может изменить свою форму. Матрицу нагревают до 150° С путем теплопередачи от плиты, которая нагревается электронагревателями или газовой горелкой. В некоторых случаях можно ограничиться нагревом только листовой заготовки.

Штамповка взрывом. Формообразование взрывом с погруженной в жидкость матрицей (рис. 210) применяют для изготовления штамповок из заготовок цилиндрической и конической формы Процесс ведут без предварительного нагрева; заготовки сваривают в продольном направлении за один или два прохода. Для успешного ведения работы необходим качественный шов.
Раздача. Подобный описанному выше, но менее жесткий способ деформации применяется на протяжении многих лет. На рис. 211 показан корпус ракеты, полученный раздачей нагретой сварной цилиндрической заготовки, помещенной в матрицу. Раздача осуществляется подачей потока воздуха под давлением Раздачу с нагревом с применением раздвижной оправки используют для изготовления деталей в виде усеченного конуса с закругленными сторонами. В этом случае требования к качеству сварного шва менее жесткие. Типичная деталь, обработанная описываемым методом, показана на рис. 212.

Штамповка на прессе типа Шеридан-Грей. При штамповке на прессе типа Шеридан-Грей нагревают пуансон и матрицу; получают штамповки, которые невозможно изготовить за одну операцию любыми другими способами обработки (рис. 213).
Выдавливание лунок. При клепке листов толщиной 1,6 мм и менее применяют процесс горячего выдавливания лунок, который имеет определенные преимущества перед сверлением. Этот способ предусматривает высверливание отверстий меньшего размера, затем выдавливание лунки, высверливание отверстия с точными размерами и зачистку от заусенцев.

Пуансон и матрицу нагревают до температуры около 350° С при помощи электронагревателей либо пламенной горелкой.
Пресс работает на малых скоростях, поэтому нет необходимости закреплять инструмент до начала деформации; производительность пресса обычно составляет 60 лунок в минуту. Как правило, лист не нагревают, так как это может вызвать коробление. Имеется описание ряда простых приспособлений для нагрева верхней части матрицы за счет теплоты, развиваемой при трении инструмента сверлильного станка или дрели.
Гибка прессованных изделий. Несмотря на ограниченные возможности гибки прессованных полуфабрикатов без нагрева, на практике часто приходится пользоваться этим способом. При штамповке без нагрева листов из сплавов AZ31 и ZW3 радиус гиба равен 2T и 3Т, из сплава АМ503 и магниевых сплавов, содержащих цирконий, несколько больше.
Для труб минимальный радиус гиба при деформации без нагрева равен от 2 до 6D (где D — наружный диаметр трубы). Величина радиуса гиба зависит от марки сплава; для тонкостенных труб эта величина выше, В случае необходимости проводят гибку с нагревом до температур 200—370° С (см. табл. 58).
Сортовая прокатка и вытяжка. Этим способом можно изготавливать очень тонкостенные полуфабрикаты, которые нельзя получать обычными методами прессования. Для этой цели используют точно откалиброванные полированные ролики из магния или стали и стальные валки, которые нагревают до температуры 250—350° С. В качестве смазки используют графит.
Присадочную проволоку для сварки с расходуемым электродом (аргоно-дуговая сварка) можно получать горячей вытяжкой прутка, который прокатывают в многоручьевых валках до диаметра 9,6 мм.