Технология холодной объёмной штамповки

1. Технология холодной объёмной штамповки

Расулов Зайнодин Нурмагомедович
Доцент кафедры Е4

2. Лекция №1.

1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки
1.1 Разделительные и формоизменяющие операции
1.2 Комбинированная объемная штамповка
1.3 Характеристика операций объемной штамповки
1.4 Этапы проектирования технологических процессов холодной объемной
штамповки

3. 1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки

Область применения:
изготовление заготовок деталей и готовых деталей из цветных металлов и их сплавов, углеродистых и легированных сталей с
поперечными размерами до 100 мм, длиной до 2,5 диаметра и массой до 10 кг.
Преимущества:
1. Более высокие показатели всех характеристик прочности.
2. Приближение формы, размеров, точности размеров и
шероховатости поверхности к готовой детали.
3. Высокая точность размеров и формы.
4. Значительное сокращение трудоемкости.
5. Высокая
повторяемость
точности
размеров,
шероховатости поверхности, механических свойств деталей.
6. Создаются условия для резкого повышения уровня
безопасности и облегчения условий труда.
Недостатки:
1. Высокие удельные нагрузки на рабочий инструмент (до
2000…2500 МПа).
2. Предельная пластичность штампуемого металла.
Удельные нагрузки зависят от:
• механических
и
структурных
обрабатываемого металла,
• размеров заготовок,
• степени деформации,
• формы и размеров инструмента,
• условий трения.
характеристик
3

4. 1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки

Разделительные операции
Отрезка
(ндп. резка)
Разрезка
Прибивка
(ндп.
просечка,
высечка)
Обрезка
(ндп. обрубка, обсечка)
Ломка
4

5. 1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки

Чеканка
Калибровка
Выдавливание
(ндп. редуцирование,
прессование)
Редуцирование
Осадка
давлением
(осадка)
Высадка
5

6. 1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки

Перспективным направлением освоения процессов ХОШ в промышленности является применение способов
штамповки по комбинированным схемам формоизменения. Комбинированные способы выдавливания, например,
позволяют за минимальное количество операций получать детали высокого качества с меньшими на (30…50%)
энергетическими затратами по сравнению с простыми схемами.
Объемная комбинированная штамповка делится на последовательную, совмещенную и совмещеннопоследовательную. Последовательная и совмещенно-последовательная штамповка выполняются в комбинированных
штампах последовательного действия и на многопозиционных пресс-автоматах.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
а – осадка–выдавливание; б – выдавливание–высадка; в – высадка–прямое выдавливание;
г, д – продольно-поперечное выдавливание; е – редуцирование – высадка
6

7. 1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки

Комбинировать можно не только операции объёмной штамповки между собой, но и объединять их с операциями
листовой штамповки. Комбинированная штамповка такого рода также может выполняться в комбинированных штампах
последовательного, совмещенного и совмещенно-последовательного действия.
а)
б)
в)
г)
а, б – вытяжка-выдавливание; в – вытяжка с утонением-редуцирование; г – вытяжка с подсадкой кромки;
1 – пуансон; 2 – заготовка; 3 – матрица; 4 – выталкиватель; 5 – подпор
7

8. 1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки

Классификация
процессов обработки
металлов давлением
Г.А.Смирнова-Аляева
8

9. 1.4 Этапы проектирования технологических процессов холодной объемной штамповки

Технико-экономическая эффективность и успешное освоение процессов производства деталей, основанных на
применении холодной объемной штамповки, определяются правильностью проектирования процесса.
Этапы проектирования технологического процесса:
1. Анализ технологичности конструкции детали и ее отдельных элементов, разработка чертежа штампованной
заготовки.
Чертеж штампованной заготовки – основной исходный документ при проектировании технологического процесса.
При анализе предварительных и отработке окончательного вариантов ТП технолог совместно с конструктором
должны откорректировать чертеж детали, если это позволяет: улучшить технологичность детали
упростить и сократить технологический цикл;
увеличить стабильность процесса;
сократить расходы на инструмент и повысить его стойкость;
повысить уровень механизации и автоматизации технологических операций.
В процессе разработки чертежа штампованной заготовки технолог определяет целесообразность разработки и
внедрения новой технологии.
Если деталь изготавливают впервые, то необходимо сравнить различные варианты ее изготовления . Основными
9
технико-экономическими показателями при предварительном обосновании являются: коэффициент использования
материала, объем выпуска и трудоемкость изготовления деталей.

10. 1.4 Этапы проектирования технологических процессов холодной объемной штамповки

2. Расчет объема заготовки по чертежу штампованной заготовки, выбор формы и размеров исходного материала
(пруток, лист и т. д.) по сортаменту, выпускаемому промышленностью.
3. Определение технологических операций подготовки материала (травление, обдирка, правка, термическая
обработка и т. п.).
4. Выбор способа разделения исходного металла на заготовки (отрезка в штампе на прессе или ножницах, резка на
пилах и т. д.).
5. Выбор технологии подготовки заготовки к ХОШ (калибровка, образование фасок, термическая обработка,
подготовка поверхности и т. д.), составление технических условий на заготовку.
10

11. 1.4 Этапы проектирования технологических процессов холодной объемной штамповки

6. Разработка технологического процесса формоизменения
Основной задачей этапа является определение количества операций, целесообразности их совмещённого или
последовательного проведения, расчет переходов с определением единичных и суммарных деформаций, удельных и
абсолютных технологических сил на основе использования диаграмм пластичности и кривых упрочнения.
Особое внимание необходимо обратить на равномерность деформации в различных элементах и объемах заготовки.
При штамповке на прессах необходимо стремиться к уменьшению количества переходов, снижению нагрузок на
инструмент путем оптимизации кинематики движения инструмента и течения металла, а также напряженного состояния в
очаге деформации, отсутствию промежуточных операций.
На основании результатов разработки процессов формоизменения уточняют:
а) профиль, сортамент, способ изготовления исходного материала и необходимость его калибровки (прокатки,
прессования, волочения), а также состояние (горячекатаное, холоднотянутое, отожженное и т. д.) и показатели качества
(механические свойства; наличие поверхностных дефектов в виде накладов, плен, волосовин и пр.);
б) способ разделения исходного материала на заготовки;
в) необходимость и режимы проведения предварительной, промежуточной и окончательной термической обработки,
калибровки заготовок, очистки поверхности и ее подготовки к ХОШ, а также других вспомогательных операций;
г) технические условия на исходную заготовку (размеры и их допуски, механические свойства, наличие фасок,
11
калибровка торцов и т. п.).

12. 1.4 Этапы проектирования технологических процессов холодной объемной штамповки

7. Выбор конструкции и расчет размеров рабочих деталей инструмента для штамповки
Особое внимание уделяют:
форме,
точности размеров,
шероховатости поверхности деформирующих частей рабочих деталей,
разработке технического задания на проектирование штампа.
Для успешного внедрения процесса холодной объемной штамповки необходимо, чтобы все работы по
проектированию, изготовлению и отладке штампа проводились при непосредственном участии и руководстве технолога,
разрабатывающего технологический процесс штамповки и зaдание на проектирование штампа.
8. Разработка технологических требований к оборудованию
Оборудование выбирают для формоизменения (сила и график нагрузки, величина хода, наличие и сила
выталкивателей, длина и конструкция направляющих и т. д.), а также для проведения предварительных, промежуточных и
окончательных операций.
При организации новых специализированных участков и цехов для холодной объемной штамповки, особенно для
производства деталей с повышенными размерами (диаметр 50…100 мм и более) и массой 1…3 кг и более), необходимо
создавать технологические комплексы, а при крупносерийном и массовом производстве – автоматы и автоматические
12
линии.

13. 1.4 Этапы проектирования технологических процессов холодной объемной штамповки

9. Расчет технико-экономической эффективности перехода от существующего процесса производства детали к
холодной объемной штамповке.
При сравнительной оценке эффективности различных способов производства заготовок основными
характеристиками обычно служат:
коэффициент использования материала (КИМ)
при холодной объемной штамповке в среднем составляет 0,9…0,98,
полугорячей штамповке 0,8…0,9,
горячей штамповке (с учетом технологических отходов) 0,5…0,75,
обычных способах литья 0,6…0,75,
точном литье 0,8…0,9,
обработке резанием 0,3…0,6;
Производительность
по сравнению с обработкой резанием при холодной объемной штамповке на прессах больше в 10…15 раз, горячей
прокатке (поперечно-винтовой, поперечно-клиновой, поперечной) – в 8…12 раз, полугорячей штамповке – в 5…10 раз,
горячей штамповке – в 3…5 раз.
13
Важными критериями оценки эффективности являются также расход инструмента и эксплуатационные свойства
детали (прочность, пластичность, ударная вязкость, герметичность и др.)

14. Лекция №2.

1 Общие положения и состояние холодной объёмной штамповки
1.5 Классификация процессов ХОШ
1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

15. 1.5 Классификация процессов ХОШ

Совместная задача конструктора и технолога в области холодной объемной штамповки на стадии проектирования
конструкции машины и технологии производства деталей – выбрать наиболее оптимальный вариант, обеспечивающий
заданное качество деталей при наивысшем снижении технологической себестоимости.
15

16. 1.5 Классификация процессов ХОШ

16

17. 1.5 Классификация процессов ХОШ

17

18. 1.5 Классификация процессов ХОШ

18

19. 1.5 Классификация процессов ХОШ

19

20. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Важным критерием экономической эффективности производства является технологичность конструкции детали,
которая определяет сложность и трудоемкость формоизменения при штамповке.
Основные показатели технологичности конструкции детали:
форма и размер штампуемой заготовки и детали;
штампуемость металла изделия.
Заданная форма заготовки или детали влияет на:
выбор маршрута формоизменения и его трудоёмкость;
кинематику движения инструмента и металла, а соответственно, на величину и распределение напряжений и
деформаций;
конструкцию и работоспособность штампа.
При одной и той же форме детали технологические приемы, последовательность операций и конструктивное
оформление инструмента могут различаться ввиду того, что, кроме влияния формы, необходимо комплексно учитывать
влияние абсолютных размеров, их соотношения, а также физическую природу материала детали. Размеры деформируемой
заготовки в некоторых случаях существенно влияют на пластичность, сопротивление деформации, качество получаемого
20
полуфабриката.

21. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Абсолютные размеры штампуемой детали накладывают определенные ограничения на:
конструирование инструмента;
параметры оборудования ;
производство в целом.
При малом диаметре детали трудно обеспечить прочность и надежность конструкций пуансонов, оправок,
выталкивателей, особенно при наличии полости, тем более что работают они в условиях повышенных сопротивлений
деформированию. При больших поперечных размерах деталей для обеспечения необходимых прочности и жесткости
матриц и других узлов и деталей штампа требуется металлоемкая громоздкая конструкция, что может заметно снизить
эффективность применения процесса.
С увеличением абсолютных размеров штампуемых деталей уменьшается жесткость инструмента (при той же
конструкции), резко увеличиваются деформации поперечного и продольного изгиба, снижаются однородность структуры
и абсолютные величины характеристики механических свойств штампованных сталей и материалов. При штамповке
более крупных деталей необходимо корректировать существующие и создавать новые конструкции инструмента.
21

22. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Конструкции деталей по технологичности можно разделить на две группы:
нетехнологичные, спроектированные без учета требований технологии их изготовления холодной объемной
штамповкой;
технологичные, при проектировании которых эти требования учтены.
Наибольшие трудности возникают при разработке технологии штамповки и чертежа штампованной заготовки для
конструкций деталей первой группы, спроектированных применительно к технологии обработки резанием.
Для деталей первой группы выбирают материал менее пластичный и более прочный, чем необходимый для холодной
объемной штамповки. Материал упрочнен по сравнению с исходным состоянием на 80...150%. Поэтому исходный
материал для детали, изготавливаемой холодной объемной штамповкой, менее прочен, но более пластичен, чем материал
детали, получаемой обработкой резанием.
22

23. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Минимальная величина а' = (d1 – d2)/2 = 0,03...0,05 мм (рис. а) при центрировании пуансона
относительно матрицы с необходимой точностью. При а' < 3 мм минимальные радиусы переходов
r1, r2, r3 (рис. а) равны 0,3 мм при последовательной штамповке полостей разными пуансонами и не
менее 1 мм при штамповке одним пуансоном.
При а' > 3 мм необходим уклон при минимальном радиусе r = 1,5 мм (рис. б и в) или сопряжение по дуге R = 0,5 мм
(рис. г). На наружной и внутренней поверхностях как пустотелых, так и стержневых деталей могут быть выдавлены
23
канавки, шпонки, зубья и т.д.

24. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Фланцы пустотелых деталей (рис. д) штампуют
исходя из D/d ≤ 1,3 и m2 > 1 мм. Могут быть получены
круглая, шестигранная и прямоугольная выемки с
размерами d1; S1; a1×b1 при толщине т1 ≥ 2 мм.
Сопряжение с фланцем цилиндрической или
прямоугольной части поверхности А должно иметь
r > 1 мм. Величины h1 > 3 мм; α = 15...17,5°.
24

25. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Желательно, чтобы стенки конусной полости (рис. з) были одинаковой толщины по всей
длине образующей. Минимальный радиус на вершине конуса – 1,5 мм. Конструктивное
оформление конусного стакана определяется тем, что его стенки получаются прямым
выдавливанием в суживающийся зазор.
25

26. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Контуры полых деталей:
а – плоская поверхность; б – дно с углом α и плоской площадкой
d1; в, г, д – сферическое дно; е – коническое дно;
t – толщина стенки, т – толщина дна
При плоском дне (рис. а) минимальный радиус
сопряжения дна и
полости, меньшей стороны
прямоугольника и т.д.; при d ≤ 10 мм r = 1 мм; при
d ≤ 20 мм r = 2 мм; при d ≤ 30 мм r =2,5 мм; при d ≤ 60 мм
r = 3 мм.
С учетом кинематики течения металла и условий
работы пуансона дно полости рекомендуют оформлять с
конусной частью (рис. б). Угол наклона конусной части
α = 3...27 ° (оптимальный по нагрузке пуансон с α =
27 °). Отношение d1/d = 0,5. Минимальные радиусы
переходов 1,5 мм.
Дно детали может быть сферическим, коническим и
клиновидным (рис. в – е). Наличие сферы улучшает
условия течения, но уменьшает устойчивость пуансона
при выдавливании.
26

27. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

На внутренней поверхности может быть получен стержень
(рис. ж) с размерами d1 ≥ 1,5 мм, h ≤ d, r1 ≤ 1,0 мм. Заготовка
может быть оформлена с наружным дном окончательно без
дальнейшей обработки резанием, его форма может быть разной
(рис. з...л). Углубление (круглое, прямоугольное, многогранное и
т.п.) может быть в выступающей части дна. Если высота
углубления до 2 мм, то по всей высоте его делают со стенками без
уклона; при высоте более 2 мм стенки углубления желательно
делать с внутренним уклоном до 1 °30ˊ; при h1 ≤ 1,0 мм r ≥ 0,5 мм;
при h1 ≥ 1мм r ≥ 1 мм; при r0 ≥ 1 мм, r1 до 0,3 мм. Углубление
может быть и без уклона, тогда съем детали с нижнего пуансона
осуществляют специальным трубчатым съемником. Наименьший
диаметр наружного стержня (рис. м) определяется из условий
деформируемости.
Контуры полых деталей:
ж – дно с центральным стержнем; з – углубление на наружной поверхности
дна; и – дно с выступом на наружной части; к – углубление высотой менее 2
мм в выступе дна; л – углубление высотой более 2 мм в выступе дна; м – дно со
стержнем на наружной поверхности; t – толщина стенки, т – толщина дна
27

28. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Контуры деталей с канавками, шлицами и зубьями:
а – прямоугольная канавка; б – вогнутая впадина; в – выпуклая
впадина, г – вогнутые боковые стенки,
д – выпуклые боковые стенки
Шлицы, канавки и пазы на наружной поверхности могут
быть разной формы. При h ≤ 2,5 мм, r ≥ 0,5 мм и r1 ≥ 0,3 мм;
при h > 2,5 мм, r ≥ 1 мм и r1 ≥ 0,3 мм (рис. а). Поверхность Б
может быть во всех случаях вогнутой. Если радиус ее
кривизны R > 0,5 С, то r1 ≥ 0,5 мм (рис. б). Допускается
выпуклость поверхности Б с R > 0,5 С, при этом r2 ≥ 1 мм
(рис. в).
Боковые стенки могут также иметь кривизну
(рис. г).
Наружные выступы (рис. д) могут иметь профиль
конического и цилиндрического зубчатого колеса с
элементами поверхностей А и Б, радиусами переходов
аналогично канавкам и шлицам (рис. а – в).
Конструкции элементов выступов, расположенных в
отверстии, делают с аналогичными соотношениями
размеров.
28

29. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Контуры сплошных ступенчатых
деталей, полученных прямым
выдавливанием
Стержневые детали штампуют холодным выдавливанием по всему контуру, кроме
отдельных элементов кольцевых зарезьбовых канавок и отверстий, оси которых
расположены перпендикулярно или под углом к оси детали, отверстий, расположенных
вдоль оси детали, но имеющих диаметр менее 5 мм и большую глубину. Если деталь не
имеет этих элементов, то чертеж заготовки обычно оказывается почти подобным
чертежу детали.
Места переходов (уступов) необходимо делать плавным сопряжением:
минимальный радиус на выступающей кромке r > 1,5 мм, во впадине внутренний
радиус r1 = 1 мм. Минимальная величина уступа а = (D1-D2)/2 = 0,3...0,6 мм.
Наибольшая величина ограничена суммарной степенью деформации, которая зависит
от штампуемости материала. При а >3 мм в целях улучшения условий течения металла
необходим уклон, соответствующий профилю матрицы с α = 127...165° при
минимальном радиусе 1,5 мм. Торцовая поверхность Б не задается, а определяется
условиями течения. Верхний торец заготовки может быть отштампован точно и иметь
на кромке скругление или фаску с минимальными размерами 1,5 мм.
В стержневых деталях могут быть изготовлены канавки, зубья, выступы и т.д.
29

30. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

На точность размеров штампованных заготовок влияют следующие факторы:
точность изготовления рабочих частей инструмента, упругие, упругопластические и температурные деформации
инструмента и его износ.
Точность изготовления инструмента задана в соответствии с уровнем инструментального производства.
Упругие и температурные деформации, которые при непрерывном процессе являются стабильными, могут быть
определены предварительным расчетом и уточнены экспериментально.
упругие, упругопластические и температурные деформации заготовки после прекращения нагружения, а также их
неравномерность.
Деформации зависят от физической природы металла и его состояния, условий деформирования (величины и
скорости деформации).
Неравномерность деформаций зависит от принятого маршрута формоизменения, формы и соотношения размеров
штампованной заготовки, кинематики движения инструмента, конструкции штампа (отклонений от соосности
деформирующих частей и ее сохранения в процессе штамповки), формы и размеров деформирующих инструментов
(углов наклона матричной воронки и скоса торца пуансона, длины калибрующих поясков и т.п.).
степень заполнения полости штампа по мере выдавливания и в конечный момент штамповки, соответствие профиля
поверхности заготовки профилю, задаваемому инструментом.
30

31. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

Наименование операции
Осадка, высадка
Прямое выдавливание
сплошного стержня
Редуцирование
сплошного стержня
Прямое выдавливание
полого стержня
Обратное выдавливание
полости
Марка материала
Д1
Сталь 10
Д1
ЛЦ37
Сталь 10
Д1
ЛЦ37
Сталь 10
Д1
ЛЦ37
Сталь 10
Д1
Сталь 10
Д1
Сталь 10
Д1
Сталь 10
Д1
Сталь 10
Поверхность
Ra, мкм
Боковая свободная
Св. 2,5
Боковая выдавленная
Боковая выдавленная
Внутренняя боковая
Наружная боковая
Внутренняя боковая
Дно снаружи
Дно внутри
0,25…1,25
0,63…0,25
1,5…1,0
0,16…0,08
0,25…0,125
0,63…0,32
0,63…0,32
1,25…0,63
2,5…1,5
2,5…1,5
2,5…1,5
0,16…0,08
1,0…0,5
2,5…1,25
Св. 2,5
0,6…0,25
0,63…0,32
Шероховатость
поверхности
штампованных заготовок определяется:
шероховатостью поверхности рабочих
частей инструмента, их размерами и
профилем;
физической природой металла и его
состоянием;
качеством
поверхности
и
поверхностного слоя заготовки;
физической природой трения при
деформации.
Наибольшее влияние на качество
поверхности
штампованных
заготовок
оказывают
склонность
к
адгезии
деформируемого металла и материала
инструмента, конструкция и качество
поверхности рабочих частей инструмента,
31
способ и качество подготовки поверхности
заготовки под штамповку.

32. 1.6 Технологичность конструкции заготовок и деталей

При изготовлении большей части деталей с применением ХОШ, требуются дополнительные отделочные операции:
обработка резанием (сверление, токарная обработка, фрезерование, шлифование и др.);
обработка давлением (накатка, обкатка и др.);
термическая обработка (закалка, отпуск, отжиг, цементация, азотирование и др.);
и т.д.
Наилучшим по уровню технологичности является решение, при котором ХОШ обеспечивает законченность формы
детали, поскольку отделочные операции, особенно со снятием стружки, могут значительно снизить эффективность
перехода на холодную объемную штамповку. Если отделочных операций избежать нельзя, то при конструировании
штампованной заготовки особое внимание должно быть уделено ее технологичности при дальнейшей обработке.
32

33. Лекция №3.

2 Заготовки для холодной объёмной штамповки
2.1 Изготовление и подготовка исходных прутковых заготовок
2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок
2.3 Подготовка заготовок
2.3.1 Калибровка

34. 2.1 Изготовление и подготовка исходных прутковых заготовок

1
2
3
4
Вариант
5
6
Заготовительное литье
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Зачистка местных дефектов слитка обработкой резанием
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Обдирка слитка
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Горячая прокатка
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Очистка поверхности проката от окалины и
мелких дефектов
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
Обдирка проката
-
-
-
-
+
+
-
-
-
-
Обдирочное шлифование проката
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
Предварительная калибровка волочением
-
-
-
+
-
-
-
-
-
-
Обдирка калиброванного проката
-
-
-
+
-
-
-
-
-
-
Калибровка волочением
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
Полирование проката
-
-
-
-
-
+
+
-
-
-
Отрезка заготовок в штампе
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
Этапы производства заготовок
7
8
9
10
34

35. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

В зависимости от конфигурации детали (полуфабриката) и способов ее изготовления заготовки для холодной
штамповки могут быть различной формы: цилиндрические, конические, фасонные, сплошные, полые.
К заготовкам предъявляют следующие требования:
колебание размеров (объема) в пределах, обеспечивающих получение заданной
точности изделия;
высокая производительность процесса изготовления заготовок;
минимальный отход металла при изготовлении заготовок;
достаточно высокая чистота боковой и торцевой поверхностей изготовленных заготовок;
перпендикулярность торцев заготовки к оси симметрии (в пределах 0,1…0,2 мм на
50 мм длины);
форма заготовок должна быть благоприятной для последующего деформирования и
автоматизации процесса штамповки.
35

36. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

На практике применяют различные способы отделения заготовок от исходного материала:
отрезка заготовок от прутка (проволоки) на токарных полуавтоматах, пресс-ножницах, специальных отрезных
станках и пилах;
высадка на холодновысадочных автоматах;
вырубка из листа в штампах;
изготовление заготовок методом поперечно-винтовой прокатки.
Отрезкой на токарных полуавтоматах можно
изготовить заготовки с полым профилем без нарушения
размеров сечения, с торцами, перпендикулярными оси,
с точностью по длине в пределах 0,1…0,3 мм при
относительно коротких заготовках H/D ≤ 0,5.
Из-за низкой производительности, больших потерь
металла в стружку и невысокой чистоты поверхности
реза использование резки в массовом производстве
нецелесообразно.
36

37. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

Для изготовления коротких сплошных заготовок в ряде
случаев применяют высадку на холодновысадочных
автоматах. Этот способ позволяет изготовить точные
заготовки с колебаниями размеров по высоте и диаметру
порядка 0,1…0,2 мм с перпендикулярными оси торцами и
требуемой чистотой поверхности реза при высокой
производительности (до 2000 заготовок в час).
Круглые в плане заготовки малой высоты (H/D до
0,25…0,4) обеспечивает вырубка в штампе из листа.
Несмотря на высокую производительность и точность
вырубаемых кружков этот способ обладает одним
существенным недостатком – низким коэффициентом
использования материала, так как в отход в виде высечки
при шахматном раскрое полосы на заготовки уходит от
45 до 50% исходного материала.
37

38. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

Характерные участки поверхности и приторцовые зоны пластической
деформации в заготовке, отрезанной от прутка в штампе или на ножницах
1 – недеформированный участок;
2 – зона смятия;
3 – утяжина;
4 – поясок пластической деформации;
5 – участок разрушения;
6 – зона пластической деформации
Схема отрезки заготовки от прутка
(а – открытая; б – закрытая)
Наиболее производительным способом является отрезка пруткового материала в специальных штампах с подвижным
ножом или в штампах со втулочными матрицами. В процессе отрезки нарушается форма цилиндрической заготовки.
Искажение формы заготовки зависит от соотношения ее размеров, физико-механических свойств материала прутка и от
конструкции штампов.
38

39. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

Повысить качество отрезаемых в штампе заготовок можно за счет использования специальных приемов:
наклона прутка относительно плоскости реза;
зажима (подпора) прутка вдоль оси;
зажима прутка в поперечном направлении;
увеличением скорости деформации;
отрезкой кручением.
Однако эти приемы, повышающие качество заготовок и расширяющие
технологические возможности отрезки, требуют специальных технических
средств, которые часто непригодны для массового производства.
1, 4 – ножи; 2 – пруток; 3, 5 – прижимы
39

40. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

Возможно изготовление исходных заготовок из прутка способом поперечно-винтовой прокатки. При этом способе
непрерывное формообразование заготовок происходит за счет пропускания обрабатываемого прутка между
вращающимися валками, на поверхности которых по винтовой линии расположены ручьи (реборды).
В результате такой обработки пруток на небольшом участке
непрерывно деформируется в относительно короткие тела
вращения
заданной
конфигурации.
Высокая
точность
заготовок по диаметру, длине и массе обеспечивается прокаткой их
в калибровочных валках, а непрерывность процесса позволяет его
полностью автоматизировать, что очень важно в массовом
производстве деталей.
40

41. 2.2 Способы разделения исходного металла и изготовления заготовок

При изготовлении заготовок из проволоки самым производительным является способ разрезки ее на заготовки в
роторном станке.
Производительность такого станка достигает 2300 шт./мин.
От проволоки 1, непрерывно
подаваемой роликами 2 через матрицу 3
до упора 6, ножи 4 полуматриц
установленные на ободе маховика 5 при
вращении его с постоянной угловой
скоростью, отрезают заготовки 7.
1 – проволока; 2 – подающие ролики; 3 – матрица; 4 – ножи; 5 – маховик; 6 – упор; 7 – заготовки
41

42. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.1 Калибровка

Заготовка, полученная отрезкой в штампе от прутка имеет :
отклонения от плоскостности и параллельности торцов;
отклонения от перпендикулярности торцов ося;
отклонения от симметричности поперечного сечения относительно главной оси.
Заготовка, полученная вырубкой из плоского проката, также имеет отклонения формы.
Диаметр (поперечные размеры) заготовок, которые должны подаваться на основные штамповочные операции, как
правило, не соответствует диаметру проката, выпускаемого промышленностью. Из условий упрощения технологии и
конструкции штампа для отрезки обычно принимают отношение высоты к диаметру заготовки H/D> 1, а для штамповки
в большинстве случаев требуются заготовки с H/D<1.
Если отклонения формы превышают предусмотренные чертежом допуски, то заготовку калибруют перед
выдавливанием полости. Перед высадкой, редуцированием, а иногда перед прямым выдавливанием сплошного стержня
калибровку не проводят. Калибровкой достигают соответствие формы и размеров поперечного сечения заготовки и
рабочей части инструмента с учетом заданных между ними зазоров. Одновременно устраняются превышающие допуски
отклонения профилей поперечного и продольного сечений от плоскости и параллельности торцов заготовки.
42

43. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.1 Калибровка

а, б, в – осадкой торцевых поверхностей с выдавливанием
неглубоких полостей (наметок); г – обжатием;
д – высадкой; е – осадкой с кернением торцев
Отклонения объема (массы) заготовки уменьшаются при
сортировке заготовок по массе на подгруппы, а также при
получении с металлургического завода прутка, дозированного по
массе.
Калибровкой также достигается:
а) предварительная деформация εi до 3...5 %, которая не
увеличивает наибольшую силу, но создает более плавное
нагружение пуансона;
б) образование фаски на одном из торцов (рис. б, е), что
необходимо для механизации подачи заготовки в штамп,
предотвращения образования заусенцев или скола фаски (при
толщине дна менее 5 мм);
в) образование наметки (рис. а, б, в) или кернение торцов
заготовки (рис. е) под пуансон для выдавливания полости (наметка
на торце заготовки снижает отклонение от соосности пуансона и
заготовки в начальный момент выдавливания полости).
43

44. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.1 Калибровка

Для изготовления высокоточных и качественных прутковых заготовок предпочтительным способом их калибровки
является поперечное выдавливание.
1 – пуансон;
2 – верхняя матрица;
3 – нижняя матрица;
4 – заготовка;
5 – полуфабрикат;
6 – противопуансон
Полученная после калибровки заготовка без промежуточной
термической обработки и подготовки поверхности может направляться
на основные штамповочные операции.
Если калибровка заготовки совмещалась с фасонированием
(образование фланцев и усеченных конусов, изменение профиля сечения
и т. п.), а деформация е>0,15, то для заготовок из латуни, бронзы,
никеля, никелевых сплавов и стали необходимы промежуточная
разупрочняющая термическая обработка (РТО) и повторная подготовка
поверхности.
Необходимость РТО и способ подготовки поверхности перед
калибровкой и фасонированием определяют в зависимости от условий
деформации.
44

45. Лекция №4.

2 Заготовки для холодной объёмной штамповки
2.3.2 Термическая обработка

46. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.2 Термическая обработка

Термическую обработку заготовок проводят для:
уменьшения сил и повышения деформируемости до значений, при которых обеспечиваются стабильная работа
инструмента без перегрузок и его высокая стойкость;
наименьшего числа переходов без макро- и микротрещин, надрывов и других дефектов при условии получения
заданных механических свойств и структуры готовой детали.
Решение поставленной задачи достигают сочетанием режимов формоизменения и разупрочняющей термической
обработки (РТО). Выбор режима РТО определяют химическим составом и структурой штампованной заготовки и
эксплуатационными требованиями к детали.
Термическую обработку делят на
Предварительную
Промежуточную
Окончательную
проводят до основных
формоизменяющих операций
при штамповке
проводят между формоизменяющими
операциями (для снятия упрочнения)
проводят по окончании
формоизменения для получения
заданных физико-механических
свойств и структуры
46

47. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.2 Термическая обработка

Исходные заготовки из горячекатаной стали подвергают калибровке. Прутки и проволоку калибруют волочением
(перед высадкой и выдавливанием).
Предварительная разупрочняющая термическая обработка может занимать разные места в технологическом
процессе:
до калибровки (отжигу подвергают горячекатаный металл);
на одном из этапов калибровки;
после калибровки.
Сортовой прокат без дополнительной термической обработки имеет неоднородную структуру, и свойства его
нестабильны.
Сталь после горячей прокатки имеет заметные следы упрочнения. В сталях с повышенным содержанием углерода и
некоторых низколегированных сталях при естественном охлаждении происходит упрочняющая термическая обработка.
47

48. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.2 Термическая обработка

Предварительную термическую обработку не проводят, если нет технико-экономической необходимости в снижении
сопротивления деформации и повышении пластичности, в том числе:
при производстве ступенчатых валов и других деталей редуцированием;
После калибровки волочением и правки предварительно холоднодеформированная заготовка имеет большую
пластическую устойчивость, чем после отжига, что позволяет повысить относительную деформацию за первое
редуцирование с 15...17 до 25...30 %; давления при редуцировании, по сравнению с высадкой или выдавливанием,
значительно меньше, потому его повышение из-за отсутствия отжига может быть обоснованно.
при получении заготовок высадкой и осадкой из сталей первой и второй групп с относительной деформацией до
45...50 % и из сталей третьей группы заготовок сравнительно простой формы с относительной деформацией до 35...40 %;
при прямом выдавливании заготовок сплошного сечения простой формы (круг) с относительной деформацией
35...50 % на сравнительно малую длину (стали первой и второй группы).
48

49. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.2 Термическая обработка

Перед выдавливанием полых заготовок и их высадкой, а также в некоторых случаях перед выдавливанием сплошных
заготовок и комбинированными процессами рекомендуют предварительную термическую обработку, которая может
осуществляться на металлургических заводах, производящих прокат, и на машиностроительных или
металлообрабатывающих заводах, производящих штампованные детали.
В большинстве случаев лучшие результаты достигаются при термической обработке после окончания
подготовительных операций (калибровки и пр.). РТО может быть проведена по режиму, оптимальному для заданных
условий штамповки. Холодная пластическая деформация исходной горячекатаной стали (при калибровке и пр.) разрушает
строчечную структуру и создает условия для быстрого и полного прохождения рекристаллизационных процессов.
Калибровкой горячего проката волочением, предварительной формовкой мерных заготовок повышают
штампуемость, получаемую для данной стали при отжиге. Для выдавливания деталей сложной формы целесообразно из
металла в горячекатаном состоянии получить калиброванную фасонную заготовку (без резких переходов и глубоких
полостей), а затем подвергнуть заготовку термической обработке.
В качестве промежуточной РТО для углеродистых и низколегированных сталей применяют:
простой низкотемпературный (при 530...600 °С) отжиг ;
рекристаллизационный (при 650...720°С) отжиг.
49

50. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.2 Термическая обработка

Наибольшего снижения давлений при штамповке достигают при получении крупнозернистой структуры.
Однако пластичность с увеличением зерна уменьшается. При отжиге после калибровки волочением или
редуцирования в области критических деформаций у низкоуглеродистых сталей (первой и второй группы) интенсивно
растет зерно в поверхностном слое. При обратном выдавливании тонкостенных (<2,5 мм) заготовок, особенно при
открытой высадке и осадке, такой рост зёрен может привести к появлению трещин вследствие хрупкого (межзеренного)
разрушения. Наиболее опасен крупнокристаллический «поясок» при высадке выдавливанием, высадке многогранных
элементов деталей, сочетаемый с прошивкой.
Необходимо избегать критических и близких к критическим (е до 0,10...0,16) деформаций и многократного их
повторения.
Если из-за конструкции заготовки или по другим причинам применение таких деформаций является вынужденным,
то последующий отжиг должен быть низкотемпературным (530...600 °С). Необходимо обеспечить отсутствие внутренних
разрывов, особенно при многократном редуцировании и совмещенном выдавливании. Однако в некоторых случаях при
выдавливании, закрытой формовке для снижения давлений (если это допустимо по условиям пластичности)
целесообразно проводить калибровку перед отжигом с деформацией 0,05...0,10, чтобы получить крупнозернистую
структуру в поверхностном слое.
50

51. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.2 Термическая обработка

Углеродистые и другие конструкционные стали имеют достаточную пластичность для холодного выдавливания
деталей простой формы, и при выборе режима отжига за основной критерий оценки принимают степень снижения
сопротивления деформированию.
При высадке деталей сложной формы, значительном наборе металла, радиальном выдавливании, комбинировании
разных способов выдавливания и высадки наряду со снижением сопротивления деформированию необходимо обеспечить
высокую деформируемость заготовки, сочетающуюся с вязким разрушением.
Наиболее распространенный режим термической обработки стальных заготовок субкритический (при температуре
несколько ниже точки Ас1). После отжига сталь имеет мелкозернистую структуру феррита с частично
сфероидизированным цементитом.
Для штамповки с особо высокими степенями деформации рекомендуются нагрев заготовок из низкоуглеродистых
сталей до температуры выше точки Ас1 охлаждение в воде, а затем высокотемпературный отпуск, то есть выполнять
“улучшение” стали.
51

52. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

Технология подготовки поверхности в общем случае состоит из двух основных этапов:
удаления дефектов и очистки поверхности от окалины, жировых и других загрязнений;
образования на поверхности заготовки промежуточного слоя носителя смазочного материала и нанесения смазочного
материала на заготовку.
Подготовительные операции делят на:
механические
термические
химические
К механическим методам относятся:
сплошную обдирку прутков,
дробеструйная обработка,
матирование,
крацевание,
галтовка,
гидрополирование.
52

53. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

Крацевание – механическая обработка металлических изделий при помощи металлических щеток.
Матирование металлов – способ чистовой обработки металлов, с целью достижения равномерной матовой
поверхности металла. Матирование осуществляют одним из таких способов, как:
обработка металла вращающимися щетками-кругами;
с помощью чеканов;
травление металла в растворах;
дробеструйная обработка
и другие.
Гидрополирование – процесс, применяемый для деталей незначительных размеров с малой шероховатостью
поверхности. Эффект полирования достигается вследствие перемешивания во вращающихся барабанах и взаимных
соударений заготовок, металлических шариков и обрезков кожи, загружаемых в барабан, наполненный химически
активной жидкостью. Основными преимуществами этого метода являются низкая себестоимость и высокая
производительность.
53

54. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

На очищенную от оксидов, жировых и других загрязнений поверхность заготовки наносят смазочный материал либо
непосредственно, либо с предварительным образованием слоя носителя смазочного материала.
Наибольшие требования к качеству подготовки поверхности предъявляют при выдавливании:
уменьшение силы молекулярного притяжения между обрабатываемым металлом и инструментом, чтобы снизить
коэффициент внешнего трения (до f<0,1), а соответственно удельную и полную силу деформирования, исключить задиры
на поверхности деформируемого материала и его налипание на поверхность инструмента, снизить износ инструмента;
высокая адгезия к поверхности деформируемого металла; напряжение, необходимое для сдвига адсорбированного
слоя смазочного материала относительно поверхности металла, должно быть больше, чем сопротивление металла
деформированию;
высокая пластичность, чтобы поверхность фактического скольжения проходила внутри смазочного слоя;
высокая термостойкость, в том числе высокие температуры возгонки и разложения, большая теплоемкость, чтобы
поглощать тепло, образующееся в слое скольжения.
Процессы холодного выдавливания характеризуются тяжелыми условиями трения вследствие:
а) высокого рабочего давления (удельной нагрузки) до 2000...2500 МПа и более;
б) нагрева металла при пластической деформации до 250...300 °С и более;
в) значительного относительного перемещения металла и инструмента, а также обновления поверхности.
54

55. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

Для повышения адгезии смазочного материала к поверхности металла и увеличения толщины промежуточного слоя
(с учетом обновления поверхности) на заготовку перед холодным выдавливанием необходимо дополнительно нанести
технологическое покрытие для удержания смазки (подсмазочный слой).
Слой-носитель смазочного материала образуется в результате химической или электрохимической обработки
заготовки.
Носитель смазочного материала должен обладать:
1) высокими пластичностью и прочностью;
2) термостойкостью;
3) надежным сцеплением с поверхностным слоем металла;
4) сохранением сплошности слоя по всей поверхности заготовки при деформации;
5) высокой адсорбцией и абсорбционной способностью к смазочному материалу.
55

56. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

Способы формирования подсмазочного слоя:
Фосфатирование – процесс нанесения на поверхность заготовок стойкого при высоких давлениях слоя
кристаллических фосфатов (обработка заготовок в кислых фосфорнокислых солях цинка, марганца, железа, кадмия и
других металлов).
Для заготовок из углеродистых и низколегированных сталей
Анодирование – процесс создания оксидной плёнки на поверхности металла или сплава путём анодной поляризации
в проводящей среде.
Для заготовок из алюминиевых сплавов.
Пассивирование – образование тонкой и прочной скидной плёнки на поверхности металла для предотвращения
окисления.
Для заготовок из медных сплавов (латуней, бронз).
Оксалатирование – процесс нанесения на металл покрытия из солей щавелевой кислоты
Для заготовок из сталей, легированных никелем, никеля, медно-никелевых, никелевых и других сплавов, не
образующих при фосфатировании и пассивировании подсмазочного слоя.
56

57. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

Операция
1. Обезжиривание органическим
растворителем
2 Обезжиривание химическое
Компоненты
Маc.
Режим обработки
концентрация, г/л t,°С
τ, мин
Керосин осветительный
—
Натрий едкий
Сода кальцинированная
Тринатрийфосфат
Стекло жидкое
Вода
3. Промывка в горячей воде
Вода
4. Травление
Кислота серная
Соль поваренная
Присадка 4М
Вода
5. Промывка в холодной проточной воде Вода
6. Промывка в горячей воде
Вода
7. Обработка в растворе соды
Сода кальцинированная
Вода
8 Промывка в горячей воде
Вода
80...100
70...80
30...40
10...15
—
110...160
230...240
3...5
—
—
70...100
—
20
0.5...1
70...95
10...15
0,5...1
50...70
0.5...2
—
50...70
0,5...1
45...50
1...2
40...50
0,8…1
57

58. 2.3 Подготовка заготовок 2.3.3 Подготовка поверхности

Операция
Компоненты
9. Ускоренное фосфатирование
Оксид цинка
Кислота фосфорная
Кислота азотная
Сода кальцинированная
Нитрит натрия
Вода (конденсат)
Вода
Вода
10. Промывка в холодной воде
11. Промывка в горячей воде
I вариант
12. Обработка в растворе мыла
13. Сушка заготовок
II вариант
12. Обработка в растворе
13. Обработка в растворе мыла
14. Сушка заготовок
Маc.
Режим обработки
концентрация, г/л t,°С
τ, мин
25,6
26,7
36,7
35...40
5...10
4,67 0,19...0,2
-
—
—
—
50...70
0,5...1
60...70
60...90
—
50…60
—
70
5...7
Алюминий сернокислый
Мыло хозяйственное 72 %
Вода (конденсат)
—
10
50...60
—
50...70
10
70
5...7
Мыло хозяйственное 72 %) Вода (конденсат)
58

59. Лекция №5.

3 Осадка
3.1 Открытая осадка
3.2 Закрытая осадка
3.3 Расчёт силы операции осадки
3.3.1 Сила деформирования призматических заготовок
3.3.2 Сила деформирования заготовок промежуточной формы

60. 3 Осадка

Осадка – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади поперечного сечения.
При реализации операции принято выделять две основные схемы, которые существенно влияют на силовой режим и
характер протекания операции – открытая и закрытая осадка.
60

61. 3 Осадка 3.1 Открытая осадка

Схема открытой (свободной) осадки сплошного стержня характеризуется абсолютно свободным течением металла в
поперечном направлении между инструментом.
Сжатие металла между элементами штампа сопровождается свободным радиальным течением, заторможенным
только контактным трением. Фасонное поперечное сечение по мере осадки приближается к кругу. Уменьшение
бочкообразности и необходимый профиль боковой поверхности могут быть достигнуты уменьшением сил контактного
трения, применением пуансонов в виде усеченного конуса, применением пластичных прокладок,
стопочного осаживания с перекладкой заготовок.
Основная область применения операции:
калибровка отрезанных от проката заготовок по высоте;
получение параллельных торцов заготовки при деформации ε < 0,18;
уменьшение отношения Н/D;
плоскостная калибровка заготовок;
удаление окалины с горячекатаных заготовок.
61

62. 3 Осадка 3.1 Открытая осадка

Осадку проводят при испытаниях на сжатие
цилиндрических образцов, по результатам которых
возможно построить экспериментальную зависимость
«интенсивность напряжений ( i) – интенсивность
деформаций ( i).
Открытую осадку также применяется в производстве
артиллерийских гильз и гильз к патронам стрелкового
оружия.
1 – пуансон;
2 – исходная заготовка;
3 – опорный пуансон;
4 – деталь;
5 – матрица
Цилиндрические образцы для испытания механических
свойств (ГОСТ 25.503-97):
а – без выточки;
б – с выточкой.
62

63. 3 Осадка 3.1 Открытая осадка

Отсутствие жесткого направления элементов штампа вдоль оси заготовки, отклонение от перпендикулярности торцов
заготовки к главной оси, нарушение рекомендованного соотношения между высотой Н и диаметром D заготовки до
штамповки (Н/D > 2) вызывают дефекты:
относительное смещение торцов,
искривление волокна и главной оси заготовки,
отклонение формы от номинальной поверхности заготовки в целом.
Отклонение от симметричности обусловливает резкое снижение продольной устойчивости заготовки и повышение
поперечных сил, действующих на пуансон. В наружных боковых слоях, особенно в средней части высоты заготовки,
возникают растягивающие тангенциальные напряжения, снижающие деформируемость заготовки и качество детали
(разрыхляется металл, могут образоваться макро- и микротрещины).
63

64. 3 Осадка 3.1 Открытая осадка

В общем случае в заготовке можно выделить зоны наименьшей деформации (I), наибольшей (III) и средней (II).
Неравномерность деформации вызвана контактными
напряжениями τк, которые задерживают перемещение
поверхностных слоев заготовки в приконтактных участках.
Поэтому приконтактные участки менее деформированы,
вследствие чего боковая поверхность искажается. Чем
больше τк, тем это искажение больше.
С увеличением общей деформации неравномерность
уменьшается (при прочих равных условиях). Увеличение
отношения поперечных размеров (D/H для цилиндра и A/H
для прямоугольных в плане) приводит к уменьшению
неравномерности.
64

65. 3 Осадка 3.1 Открытая осадка

На контактной поверхности выделяют две зоны:
центральную (1) – зона торможения;
периферийную (2) – зона скольжения.
Условно к центральной зоне относят те участки, где
остаточная деформация соизмерима с упругой. Граница
между зонами в процессе деформации изменяется с
увеличением общей деформации. Центральная зона
уменьшается, а зона скольжения увеличивается. В зоне 1
есть зона застоя металла, которая не исчезает при любой
деформации. В тоже время наличие зоны застоя является
частным случаем. При хороших контактных условиях зона
торможения
отсутствует.
Характер
изменения
интенсивности деформации ei вдоль оси симметрии
заготовки и в поперечном сечении ведет к неравномерности
строения и свойств материала.
Характерные зоны:
скольжения – ав (закон Амонтона–Кулона);
торможения – во (на участке bc = max);
застоя – со ( = max r/r3).
Кроме общего случая, могут быть два частных:
отсутствие зоны max, отсутствие зоны скольжения.
65

66. 3 Осадка 3.2 Закрытая осадка

Схема проходит в два этапа.
При (Н0/D0) < 2 осуществляется открытая осадка до соприкосновения выпуклой части боковой поверхности
заготовки со стенками инструмента. Далее происходит закрытая осадка — сжатие металла между плоскопараллельными
элементами штампа, сопровождаемое радиальным течением металла по периметру.
При Н0/D0 > 2 и DМ/D< 1,25 открытая осадка сопровождается пластическим изгибом — складок не образуется, но
волокна искривляются, что вызывает уменьшение продольной устойчивости заготовки при последующей осадке или
высадке и ухудшает условия работы пуансона при выдавливании полости.
Деформируемость заготовки и качество детали по сравнению с открытой осадкой значительно возрастают. При
уменьшении высоты пластической зоны hкр(hi, di), (hi, di — текущие высота и диаметр заготовки) ниже критической
происходит рост рабочего давления р. Отношение высоты зоны соприкосновения заготовки со стенками матрицы к общей
высоте заготовки не должно превышать 30...35 %.
Основная область применения схемы:
калибровка по высоте и диаметру (поперечному сечению);
получение параллельных торцов, перпендикулярных к основной оси заготовки;
уменьшение отношения Н/D;
производство заготовок для выдавливания полости, роликов подшипников и других деталей ответственного
66
назначения.

67. 3 Осадка 3.3 Расчёт силы операции осадки

Аналитическая схема, применяемая для расчёта технологической силы операции осадки в условиях открытой схемы,
требует некоторых допущений:
1. i = const по объему заготовки.
2. Вид деформированного состояния во всем объеме заготовки – простое сжатие ( ν = 1; = 60° ).
3. Боковая поверхность заготовки не искривляется.
4. Координатные оси ( r, , z ) – главные оси деформаций и напряжений.
5. Деформация монотонна.
6. Нормальные напряжения являются функцией координаты r.
7. Характер распределения касательных напряжений соответствует графику общего вида за исключением зоны
застоя.
Оси r, , z фактически главные для центральной зоны. Для периферии они тоже главные в силу второго и третьего
допущений. Пятое допущение необходимо только для холодной деформации (вытекает из второго). Шестое выполняется
автоматически и вытекает из предшествующих. Седьмое исключает третью зону (застоя), хотя задача может быть решена
с ее учетом.
67

68. 3 Осадка 3.3 Расчёт силы операции осадки

P i Fос 1 ,
где P – сила деформирования;
Fос – средняя по высоте заготовки площадь поперечного сечения;
σi – среднее по объему значение интенсивности напряжений материала
заготовки в текущей стадии деформации;
ψ1 – функция коэффициента контактного трения μ и отношения диаметра
заготовки к ее высоте в текущей стадии деформации.
Для вычисления σi в случае холодной деформации
необходима зависимость «интенсивность напряжений
(σi) – интенсивность деформации (εi)»
H
i ср ln 0 .
h
ос
Для определения значений функции ψ1 используют
справочную таблицу, входными параметрами для которой
служат коэффициент трения и отношение φ.
d
h
68

69. 3 Осадка 3.3.1 Сила деформирования призматических заготовок

Силу осадки прямоугольной в плане заготовки можно определить по формуле, полученной с аналогичными для
цилиндрической заготовки допущениями:
вид деформированного состояния во всем объеме заготовки – простой сдвиг;
длина заготовки L в процессе осаживания не изменяется.
P 1,15 i Fос 2 ,
где ψ2 – функция коэффициента контактного трения и отношения ширины
заготовки a к ее высоте в текущей стадии деформации h.
H
i ср 1,15 ln 0 .
h
ос
2a
1
,
h
где a = A(H0/h)0,5 – средняя по высоте величина ширины заготовки в
текущей стадии деформации;
A – ширина заготовки до деформации.
69

70. 3 Осадка 3.3.2 Сила деформирования заготовок промежуточной формы

Зависимость расчёта силы деформирования для промежуточных форм будет иметь тот же вид.
Функции для цилиндра и призмы носят частный характер, поэтому необходимо найти общий показатель. Таким
показателем является отношение контактной и свободной поверхности – Fк /Fс.
Для круглой в плане заготовки Fк= d 2/2, а Fс= П h = dh .
Отношение составит:
Fк
d2
d
Так как a<<l , то Fк/Fс 2a/h.
.
Fс
2 d h
2 h
Для прямоугольной в плане заготовки длиной l и шириной 2a
Fк
4 a l
2 a
Fс 2 2a l h 2a
1 h
l
Следовательно, в формулах для расчета 1 и 2 можно подставить вместо d/h и 2a/h соотношение
Fк /Fс, – отношение, единое для заготовок любой формы. Формула для расчета силы будет иметь вид:
P b F i ,
где = (Fк /Fс, µ).
70

71. 3 Осадка 3.3.2 Сила деформирования заготовок промежуточной формы

При расчете по указанной формуле площадь поперечного сечения заготовки (F)
можно определить из условия равенства объемов:
F0 H
F
.
h
В общем случае, зная z = ln(H/h) и b, можно найти приближенное значение i.
Заметим, что для круглой в плане заготовки b = 1 и ср = 60o, а для прямоугольной b = 1,155 и ср = 30o.
cos 30
b
.
cos 30
С учётом крайних форм считают, что σ по объему находится в пределах от 30o до 60o (30o< σ< 60o). Чем ближе
форма к кругу, тем σ ближе к 60о. Если найти критерий формы заготовки, то можно выразить зависимость σ от
соотношения размеров. Приближенно соотношение поперечных размеров можно отразить величиной F/Fкр, где
Fкр – площадь круга, периметр которого равен периметру произвольной формы П:
2
П
П2
Fкр
4
4
F
4 F
.
2
Fкр
П
71

72. 3 Осадка 3.3.2 Сила деформирования заготовок промежуточной формы

Формула может служить критерием близости промежуточных форм к крайним (отношение равно единице для
круглой формы и близко к нулю для прямоугольной). Значит, для промежуточных форм 0 <F/Fкр< 1. Таким образом, зная
крайние значения, можно подобрать зависимость:
F
cos 180 3
,
Fкр
Определим для промежуточной формы, если известно его значение для крайних форм: 1 и 2. Чем ближе форма
к крайним, тем ближе к к 1 или 2. Следовательно, искомая величина может быть определена по критерию F/Fкр.
Следовательно, зависимость между и F/Fкр можно принять в виде линейной функции:
F
2 1 2
.
Fкр
72

73. 3 Осадка 3.3.2 Сила деформирования заготовок промежуточной формы

Значения
1,
2
определяем
для
рассматриваемой заготовки произвольной формы по
отношению Fк /Fс и значению µ. Для расчета
отношения Fк /Fс необходимо знать периметр П в
любой стадии деформирования. Для круглой в плане
заготовки:
H
П П0
,
h
В общем виде задача практически неразрешима
(не известны контактные условия характер их
изменения), поэтому она решена приближенно с
учетом крайних форм:
F0
H
П П0 1
1 ,
F0 кр h
П0 – периметр до деформации.
F0 – площадь поперечного сечения исходной заготовки;
(F0)кр – площадь круга с периметром П0.
73

74. 3 Осадка 3.3.2 Сила деформирования заготовок промежуточной формы

Таким образом, силу осадки заготовки промежуточной формы площадью F0, периметром П0 и высотой Н до высоты h
следует рассчитать в следующей последовательности:
площадь торцовой поверхности F после осадки;
отношение F0/(F0)кр по П0 до деформации;
периметра П после деформации;
отношения F/Fкр = П×h/Fкр и параметра σ;
коэффициента b и i=b×ln(H/h) (для холодной деформации); интенсивности напряженного состояния по
i для
холодной деформации или i как функции температурно-скоростных условий горячей деформации;
отношения Fк/Fс и соответственно 1 и 2 по формулам 1 = 1 (f, Fк /Fс) (для круглой в плане заготовки),
2 = 2 (f, Fк /Fс) для прямоугольной в плане заготовки);
определение сомножителя .
74

75. Лекция №6.

4 Высадка

76. 4 Высадка

Высадка предназначена для изготовления на плоских, гнутых, вытянутых осесимметричных полуфабрикатах или
заготовках из прутка местных утолщений наружной поверхности или отверстий на торцевых плоскостях той или иной
формы за счет перераспределения материала.
Диаметральные размеры при высадке могут быть получены с точностью, соответствующей 9…11 квалитетам.
Для получения размеров с точностью по 7 или 8 квалитетам потребуется большее количество переходов, стойкость
инструмента при этом уменьшается.
Размеры по длине могут быть получены по 11, 12 квалитетам.
При холодной высадке достигается шероховатость поверхности Ra = 0,63…0,32 мкм.
Открытую высадку сплошного стержня осуществляют с защемлением
одного (Н/D< 2,3) и обоих (образование утолщения в средней части
стержня, Н/D< 2,5) концов заготовки. Кинематика течения
незащемленного конца заготовки такая же, как при открытой осадке
сплошного стержня. При высадке защемленного конца скольжение по
торцу отсутствует, а увеличение диаметра происходит за счёт перехода
боковой поверхности на торец.
76

77. 4 Высадка

Операцию применяется для:
калибровки заготовок;
образования местных утолщений;
набора металла для последующей штамповки, в производстве крепежных и других ступенчатых деталей.
Открытую высадку применяют в производстве артиллерийских гильз и гильз к патронам стрелкового, в том числе
спортивного оружия.
1 – пуансон;
2 – исходная заготовка;
3 – опорный пуансон;
4 – деталь;
5 – матрица
77

78. 4 Высадка

Закрытую высадку сплошного стержня осуществляют в следующей последовательности:
открытая высадка при (Н/D) <2,0 или открытая осадка + пластический изгиб при (Н/D) > 2 и (D1/D) < 1,25 до
соприкосновения выпуклой части заготовки со стенками инструмента (матрицы или пуансона);
закрытая высадка (после контакта боковой поверхности заготовки с инструментом).
Формирование боковой поверхности по всей длине высаживаемой части сопровождается образованием заусенца по
месту разъема инструмента. Во избежание образования заусенца штамповку ведут с незаполнением полости штампа или
при заданной удельной силе излишек металла направляют прямым выдавливанием в компенсатор.
Операцию применяют для:
образования местных утолщений, фланцев, набора металла для
последующей штамповки заготовок с заданной формой и размерами
сечения;
калибровки, в производстве деталей типа шаровых пальцев,
ступенчатых валов, штуцеров, а также крепежных и других ступенчатых
деталей.
78

79. 4 Высадка

Высадку применяют для деформации не только сплошных, но и полых заготовок.
В процессе открытой высадки полого стержня с оправкой сжатие части полой заготовки между
плоскопараллельными элементами штампа сопровождается радиальным течением, которое заторможено на поверхностях
контакта силами трения, и является более интенсивным в средней по высоте высаживаемой части заготовки. С
увеличением отношения Н/Dвн (Dвн–диаметр полости) неравномерность скоростей течения по высоте и прогиб внутренней
поверхности увеличиваются. Схему применяют для образования внешних и внутренних утолщений малой ширины и
высоты (во избежание потери устойчивости).
79

80. 4 Высадка

Закрытую высадку полого стержня осуществляют как и у сплошных заготовок в два
этапа. До соприкосновения с боковыми стенками инструмента идёт этап открытой
высадки. При незначительном искривлении внутренней поверхности на первом этапе
после соприкосновения заготовки с боковыми стенками матрицы искривление
уменьшается до момента соприкосновения с оправкой по высоте высаживаемой части.
Однако, в тех случаях, когда искривление становиться значительным из-за потери
устойчивости в результате продольного изгиба, при наступлении второго этапа
образуются складки на внутренней поверхности. По месту разъема частей инструмента
(верхней и нижней) образуется заусенец. При зазоре между оправкой и заготовкой вне
зоны местной высадки происходит радиальное течение металла к центру и пластический
изгиб, а также выдавливание металла из зоны высадки в зазор между матрицей и
оправкой. Качество внутренней поверхности при этом ухудшается, а также возможно
образование складок.
Схему применяют для образования местных утолщений, фланцев относительно
малой толщины и высоты. Более предпочтительно сочетать высадку с прямым
выдавливанием, что обеспечивает возможность значительного набора металла.
80

81. 4 Высадка

Холодную высадку головок винтов, заклепок и других подобных им деталей обычно осуществляют на
холодновысадочных автоматах или в штампах на эксцентриковых и кривошипных прессах и только из калиброванного
проката. Металл для высадки должен быть наклепан для лучшей устойчивости и исключения налипания. Рекомендуемая
предварительная деформация – 3…5%.
1 – матрица;
2 – пуансон;
3 – выталкиватель
Холодную высадку стержневых деталей с головкой осуществляется за одну операцию, но с одним, двумя или тремя
переходами (ударами) или за несколько операций. Число операций и переходов в операции зависит от количества металла,
идущего на образование головки и приведенного к относительной длине высаживаемой части стержня l/d
81

82. 4 Высадка

Длина участка заготовки l для образования головки любой формы определяется из условия сохранения объема:
l = 4V/(πd2),
где V – объем заготовки,
d – диаметр заготовки.
Цилиндрическую или коническую головку с плоским основанием при D/h 5 и l/d ≤ 2,5
(D – диаметр головки; h – высота головки; l – длина участка заготовки) следует высаживать за два или три перехода.
Число
переходов
(ударов)
Относительные размеры
высаживаемой части
l/d
D/h
D/d
Один
2,5
Два
2,5…
2,2…2,
4,5…8,5
5
6
Три
5…8
4,5
8,5…10
2,2
2,6…4
Высаживаемые детали
Заклепки, винты, шурупы с полукруглой, потайной и полупотайной
головками
Заготовки болтов, заклепки, винты, имеющие цилиндрические головки,
головки с усом или квадратным подголовком
Винты с крестообразным шлицем, болты с наружным и внутренним
82
шестигранниками

83. 4 Высадка

Формулы для расчета длины участка заготовки для образования головки при высадке болтов, винтов и заклепок
Форма головки
Формула
Полукруглая
l = 4h2(R ˗ h/3)/(dmin)2
Потайная
l = b(D2 + Dd + d2)/(3(dmin)2)
Полупотайная
l = 4h2(D2/8 + h2/6)/(dmin)2 + b(D2 + Dd + d2)/(3(dmin)2)
Плоская цилиндрическая
l = D2h/(dmin)2
Шестигранная
l = 1,33(Sк)2h/(dmin)2
Квадратная
l =1,27(Sк)2h/(dmin)2
Обозначения: h – высота головки; dmin – наименьший предельный диаметр головки; R – радиус сферы;
b – высота конуса; D – диаметр головки после высадки; d – диаметр стержня после высадки; Sк – размер под ключ
83

84. 6 Процессы выдавливания 6.1 Классификация операции

Выдавливание – это операция штамповки заготовки вытеснением металла исходной заготовки в полость и (или)
отверстия ручья штампа (ГОСТ 18970-84).
Справедливым будет описать операцию выдавливания как процесс обработки металлов давлением, состоящий в
вытеснении материала заготовки в полость, образованную рабочим инструментом, путём всестороннего неравномерного
сжатия деформируемого тела. Из сравнения этих двух описаний видно, что количество возможных к реализации схем
операции достаточно велико.
Достаточно часто для обозначения процесса холодного выдавливания также используют термины:
прессование,
экструзия,
ударное выдавливание,
истечение.
Прессование – это вид обработки металла давлением, заключающийся в придании обрабатываемому металлу
заданной формы путём выдавливания его из замкнутого объёма через один или несколько каналов, образуемых
формообразующим прессовым инструментом (матрицей).
Термин экструзия, скорее всего, происходит от английского “extrusion”, который собственно и можно перевести как
“выдавливание”. Хотя этому слову также соответствует существительное “вытеснение”. В тоже время, английское слово
84
“pressing” переводят как “нажатие”.

85. 6 Процессы выдавливания 6.1 Классификация операции

Операция выдавливания является крайне разнообразной по вариантам выполнения, что привело к формированию
различных подходов классификации. Наиболее полную классификацию предложили Д.П. Кузнецов и Ю.И. Гуменюк.
Каждый из признаков отражает какую-либо существенную особенность процесса, влияющую на напряженнодеформированное состояние заготовки и, следовательно, на значения технологических параметров.
Классификация включает все виды процесса:
используемые в металлургии для производства полуфабрикатов (профилей);
применяемые для изготовления деталей машин, приборов, технологического инструмента;
внедрение в полубесконечное тело и тело ограниченных размеров.
В классификации выделены два признака (3 и 4), учитывающие направление перемещения материала.
Введение термина «продольное» (выдавливание) с дополнительным указанием перемещения деформируемого
металла от периферии к центру или от центра к периферии исключает неудобства и возможные ошибочные суждения,
порождаемые терминами «прямое» и «обратное».
Третья
группа
признаков
(с
6-го
по
9-й)
отражает
различные
стороны
характера
деформации, которые имеют важное значение при теоретическом анализе процесса. Седьмой признак деления – по
наличию ограничения (инструментом или свободной поверхностью) зоны пластической деформации – является новым и в
известной мере специфичным.
85

86. 6 Процессы выдавливания 6.1 Классификация операции

86

87. 6 Процессы выдавливания 6.1 Классификация операции

87

88. 6 Процессы выдавливания 6.1 Классификация операции

88

89. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

В качестве исходных данных для построения чертежа штампованной детали служат:
чертеж детали;
тип производства и объем выпуска деталей.
Основные этапы разработки технологии:
1. Анализ чертежа детали на технологичность.
2. Составление чертежа полуфабриката.
3. Определение объема, формы и размеров заготовки и профиля исходного материала.
4. Выбор способа разделения исходного материала на заготовки.
5. Определение количества и последовательности выполнения формоизменяющих операций.
6. Определение количества, порядка и режима термических операций.
7. Выбор способа подготовки поверхности к деформированию, а также определение количества и режима вспомогательных операций.
8. Разработка принципиальной схемы штампов и конструирование их рабочих деталей.
9. Конструирование штампов и средств механизации (или разработка технического задания на них).
10. Выбор оборудования для выполнения намеченных операций (или разработка технологических требований к оборудованию).
11. Экономическое обоснование предлагаемых технических решений.
Последовательность выполнения этапов примерно соответствует порядку их перечисления. Однако необходимо иметь в виду
следующее:
разрабатывать технологию приходится, как правило, в два приема (предварительно и окончательно);
может быть несколько конкурирующих вариантов технологии, различающихся количеством, последовательностью и характером
89
операций, а также профилем исходного материала;
при выполнении начальных этапов необходимо иметь перечень основных формоизменяющих операций.

90. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

В процессе анализа должно быть установлено:
можно ли заданную форму детали обеспечить штамповочными операциями (если можно, то является ли эта форма
оптимальной с учетом эксплуатационных и технологических требований; если нельзя, то какие должны быть сделаны
изменения);
можно ли обеспечить холодным выдавливанием заданные размеры и допуски на них (если нельзя, то какие должны
быть сделаны изменения);
приемлема ли принятая система указания размеров, размерная цепочка и база простановки размеров (если не
приемлема, то какие должны быть сделаны изменения, чтобы они удовлетворяли как конструктивным, так и
технологическим требованиям);
можно ли удовлетворить штамповкой требования чертежа по шероховатости поверхности на тех поверхностях,
которые намечено изготовить штамповкой окончательно;
является ли технологичной предусмотренная чертежом марка материала детали (если нет, то каким материалом можно
заменить заданный при обеспечении эксплуатационных требований).
В результате анализа должен быть составлен новый чертеж, полностью удовлетворяющий эксплуатационным
требованиям и в наибольшей мере технологическим.
В результате выполненного анализа необходимо составить предварительную технологию, так как технологические
требования к чертежу могут быть разными, в зависимости от намеченного варианта технологии.
90

91. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

Чаще всего формообразование детали только штамповкой осуществить не удаётся и приходится сочетать ее с
обработкой резанием. Следовательно, на некоторые (или на все) поверхности необходимо предусмотреть припуск на
доработку. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы он был наименьшим, а полуфабрикат имел наиболее
технологичную форму. В этом случае технологические требования можно учесть значительно полнее. Надо назначить
такую форму и придать такие размеры, которые обеспечат наименьшее значение силы деформирования. При этом следует
обратить внимание на толщину стенки (при выдавливании полости детали в виде колпачка, чашки или стакана); форму и
толщину дна; форму контура внутреннего и наружного, значения радиусных переходов и сопряжения поверхностей.
Конструктивные изменения в чертежах деталей,
изготавливаемых:
а – резанием;
б– холодным выдавливанием (штамповкой)
91

92. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

При назначении припуска на доработку, а также допусков на «обрабатываемые» размеры следует учитывать
технологические возможности и особенности холодного выдавливания.
Предельно допустимая величина деформации – это такая величина деформации, при которой отсутствует опасность
разрушения материала заготовки, а потребные удельные силы деформирования близки к предельным нагрузкам на
инструмент, хотя и не превосходят их.
Материал
Марка или химический состав
(в порядке снижения штампуемости)
АО
АД, АД1, АМц, АМг
Алюминий и его сплавы
Д1, АМг5
В95
Армко-железо
08, 10; биметаллы 1 и 3; 18ЮА, 11ЮА, 15, 15Х
Железо, сталь и биметалл 20, 20Х, 20Г, 25, 30Х, 20ХН, 30, 35Х
35, 38ХА, 40Х, 45Х, 18ХГ, 12ХГНЗА, 30ХМ, 30Г, 20ХГ, 45,
18ХГН, 35ХМ, 35Г, 18ХГТ
Допустимая степень
деформации ε, %
внутрь
наружу
95
90
90
85
80
75
–
–
75
70
70
60
60
50
40
–
Предельная степень
деформации, εmax, %
внутрь
наружу
98
95
95
90
85
80
60
50
85
80
80
75
70
60
65
40
92

93. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

Правильный выбор исходного материала и тщательный контроль его качества являются обязательными условиями успешного
освоения процессов холодного выдавливания. Выполнение этих требований обеспечивает высокую стойкость рабочих деталей штампа и
хорошее качество изготавливаемых деталей.
Следует отметить целесообразность введения механических испытаний на осадку (по ГОСТ 8817–82) и технологических
испытаний на выдавливание колпачков в штампе для оценки пригодности поставляемого материала к выдавливанию.
Качество готовых деталей (полуфабрикатов) оценивают их точностью по поперечным и осевым размерам, а также состоянием
наружных и внутренних поверхностей.
Точность деталей по поперечным размерам зависит от следующих факторов:
износа инструмента;
изменения температуры инструмента и деформируемой заготовки;
упругих деформаций инструмента и заготовки.
Точность деталей по осевым размерам зависит в основном от точности объема исходных заготовок и упругих деформаций системы
«пресс–штамп».
Колебание объема исходных заготовок зависит от величины поля допуска на прокат и точности по длине заготовок. Поэтому
использование калиброванного прутка в качестве исходного материала требует применения более точных способов его разделения по
длине.
Что касается уменьшения упругих деформаций системы пресс-штамп, то чрезмерное увеличение жесткости прессов очень мало
влияет на точность осевых размеров выдавливаемых деталей, которые находятся в пределах 7…9-го классов точности.
Шероховатость поверхности выдавленных деталей достигает Ra 0,32…0,63 мкм и зависит от чистоты поверхности инструмента и
заготовки. Недеформированные части заготовок практически не меняют чистоту поверхности после выдавливания.
93

94. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

Вид
Причина
При продольном выдавливании наружу
Поперечные мелкие трещины на наружной Низкие пластические характеристики деформируемого металла.
боковой поверхности детали.
Неправильный подбор смазки и покрытий, низкое их качество.
Задиры или налипание на рабочем инструменте.
Несоосность пуансона и матрицы.
Поперечные мелкие трещины на внутренней Низкая пластичность деформируемого материала.
боковой поверхности детали.
Отсутствие радиуса закругления на пуансоне.
Большое отношение высоты детали к ее диаметру.
Продольные царапины на боковой поверхности Низкое качество смазки.
детали.
Царапины или трещины на пуансоне или в матрице, их износ.
Большая высота рабочего пояска пуансона.
Глубокая кольцевая трещина в углу дна.
Предельная величина деформации.
Толщина дна меньше толщины стенки детали.
Большая величина разностенности детали.
Плохое центрирование рабочего инструмента в штампе.
Недостаточно надежное направляющее устройство пресса.
Неровный верхний торец детали.
Неравномерность деформации по периметру детали.
Неперпендикулярность торца пуансона оси приложения нагрузки.
Непараллельность торцов заготовки, высокая анизотропия материала.
94

95. 6 Процессы выдавливания 6.2 Технологичность конструкции штампуемых деталей

Вид
Причина
При продольном выдавливании внутрь
Поперечные мелкие трещины на наружной Плохое качество смазки. Большая величина деформации.
боковой поверхности детали.
Высокий калибрующий поясок матрицы.
Низкая пластичность деформируемого материала.
Кольцевой скол в углу фланца.
Угол конусности матрицы больше оптимального.
Поперечная складка в зоне фланца.
Большая величина деформации.
Большой зазор между заготовкой и приемником.
Осевая утяжка в зоне фланца.
Недопустимо мала высота фланца.
Большая величина деформации.
95

96. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Операции по схемам продольного выдавливания относят к наиболее исследованным
процессам выдавливания.
Подавляющее большинство имеющихся результатов экспериментального и
теоретического исследования относят к простым формам заготовок (осесимметричная и
плоская задачи). В общем случае заслуживают внимания экспериментальные сведения, так
как аналитические решения, удовлетворяющие практику, пока отсутствуют из-за трудностей
учета контактного трения и переменности контактных поверхностей.
Общий характер течения материала при деформировании с относительно невысокой
скоростью одинаков для всех материалов, подвергаемых обработке давлением, как на
механическом, так и на гидравлическом прессе.
У простых схем реализации операции выдавливания есть общая черта. При
деформировании заготовок, имеющих достаточно большие размеры, в каждый текущий
момент операции в пластической деформации участвует не весь объем материала заготовки.
Этап деформации, когда ОПД не изменяет форму и размеры, называют этапом стационарной
деформации или установившейся стадией. Эту стадию деформации можно охарактеризовать
тем, что параметры напряженного и деформированного состояний в каждой геометрической
точке ОПД не зависят от времени.
96

97. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

При продольном выдавливании со стоком (прямое выдавливание) формирование ОПД начинается на коническом
участке матрицы. На первой стадии операции в деформации участвует кольцевой участок заготовки. Остальная часть
заготовки находится в стадии упругой деформации.
По мере движения размеры кольцевой зоны растут. Затем ОПД формируется полностью, что соответствует
стационарной стадии. Когда внешняя граница ОПД коснется пуансона, наступает нестационарная стадия.
Процесс
пластической
деформации относительно высокой
заготовки состоит из этапов:
нестационарного (формируется
ОПД),
стационарного,
нестационарного (уменьшается
ОПД).
97

98. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Расположение внешней границы ОПД существенно зависит от условий деформирования:
профиль матрицы ;
контактные условия.
Ранее считалось, что с увеличение угла конусности матрицы размеры ОПД уменьшаются. Однако, анализ
исследований в матрицах с различной конусностью рабочей части (60º, 80º, 100º,130º, 150º), выполненных методами
делительной сетки, муара, моделирования на многослойном материале, факультативной оценки по результатам измерения
твёрдости в характерных зонах ОПД, анализа макро- и микроструктуры показал комплексный характер изменения
размеров ОПД.
2φ=80°
2φ=100°
2φ=130°
2φ=150°
h1
h
h1
h
h1
h
h
h1
h
h1
2φ=60°
98

99. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

P
dп
Границы ОПД
60
100
150
180
Заторможенная зона
dм
hг
При изменении угла 2φм полный осевой размер ОПД h остается
практически неизменным. Небольшое различие в размерах ОПД образцов
при различных углах 2φм можно объяснить анизотропией свойств исходного
материала.
В матрицах с углом 2φм <60…80º у образцов с плоским торцом
пластическая деформация начинается на угловой части торца,
распространяясь с большой скоростью в поперечном и осевом
направлениях. По мере заполнения материалом заготовки полости матрицы
рост ОПД замедляется. После того, как в пластическую деформацию
вступило всё поперечное сечение заготовки, форма верхней границы ОПД
остаётся практически неизменной, а размер ОПД в осевом направлении
продолжает расти до наступления стационарной стадии процесса
выдавливания.
В матрицах с углом 2φм <150º из-за наличия зоны торможения в угловой
приёмной исключает стационарную стадию, хотя общая сила
деформирования может быть на этой стадии постоянной или даже
несколько снижаться за счёт уменьшения площади контактного трения
99
заготовки по боковой поверхности матрицы выше ОПД.

100. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Начало этапа стационарной деформации приблизительно
h1
совпадает с моментом окончания прохождения через выходное
1,75
сечение матрицы объема металла образца равного объёму ОПД
2 м= 150
1,50
1,25
на стадии начала затекания материала в выходное сечение
1
матрицы.
1,00
3
0,75
0,50
0,25
0
этапа
стационарной
Величина хода пуансона l, соответствующая началу этапа
4
2
началу
деформации соответствует большая величина хода пуансона.
2 м= 60
2
Следовательно,
стационарной деформации, также зависит от угла 2φм матрицы:
4
6
8
10
l ,мм
чем больше 2φм, тем больше ход пуансона.
100

101. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

При продольном выдавливании с истечением (обратное
выдавливание) физико-механические свойства материала заготовки и
скорость деформации практически не влияют на ее общий характер.
На
первом
этапе
происходит
формирование
ОПД
(нестационарный этап). На втором этапе, условно стационарном, ОПД
практически не изменяет форму и размеры. На третьем этапе
происходит уменьшение и изменение формы ОПД (этап
нестационарной деформации). Деформация с постоянным размером
ОПД происходит до тех пор, пока он не коснется дна.
1 – матрица; 2 – пуансон; 3 – выталкиватель;
4 – исходная заготовка; 5 – получаемая деталь
101

102. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Параметры НДС в ОПД зависят от времени, особенно в центральной зоне, которая находится в деформации все
время. Однако этим явлением можно пренебречь и считать эту стадию условно стационарной. Напряженное состояние
почти не изменяется вследствие того, что величина деформации большая и i мало зависит от i, а следовательно, и от
времени.
При деформировании относительно (H/S) высоких
заготовок этап стационарной деформации должен быть
обязательно.
Если H/S >3…3,5, значит есть этап стационарной
деформации.
Если H/S 3…3,5, то ОПД не может приобрести
максимальные размеры, и этап стационарной
деформации нет.
При изменении формы инструмента, изложенные
выше правила могут быть нарушены. Например, при
деформировании
коническим
пуансоном
ОПД
102
увеличивается в размерах.

103. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Основными факторами, влияющими на силу деформирования, являются:
физико-механические свойства деформируемого материала;
величина общей деформации;
форма рабочего профиля инструмента;
средняя степень деформации заготовки;
скорость деформации;
контактные условия;
высота заготовки.
Для расчёта средней степени деформации на операциях выдавливания принимают зависимость вида:
F0 F
100%
F0
F0 – площадь поперечного сечения заготовки до деформации;
F – площадь поперечного сечения заготовки после деформации.
103

104. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

При продольном выдавливании со стоком (прямое выдавливание) наибольшее влияние оказывает профиль матрицы.
В общем случае, чем меньше угол конусности матрицы, тем меньше сила деформирования. Однако меняются и другие
факторы. С уменьшением угла увеличивается площадь контакта, а, следовательно, и сопротивление деформированию.
Увеличение угла ведет к появлению заторможенной зоны, вследствие чего увеличивается также сила. При оптимальном
угле эти факторы компенсируют друг друга.
Данные по силовому режиму операции говорят о постоянстве роста удельной силы деформирования во всём
диапазоне изменения угла от 60° до 180° и опровергают устоявшееся положение о существовании оптимального угла
конусности.
Материал образцов
Сталь
11ЮА
Латунь
Л72
Алюминий АД1
Общая и удельная
сила деформирования
P, кН
q, МПа
P, кН
q, МПа
P, кН
q, МПа
60
608
1140
504
950
133
250
80
660
1240
600
1170
160
300
Угол конусности матрицы 2φм, град.
90
100
110
130
684
700
696
772
1280
1320
1310
1460
618
668
716
748
1260
1250
1340
1400
170
176
176
175
320
330
330
330
140
780
1470
808
1510
175
330
150
820
1540
830
1600
175
330
104

105. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

При деформировании латунных и стальных образцов угол конусности матрицы оказывает большее влияние на силу
деформирования, чем алюминиевых. В этом случае существенную роль играют физико-механические свойства
деформируемого материала. Металлы, склонные к упрочнению, в большей степени реагируют на изменение условий
деформирования, чем малоупрочняющиеся металлы.
q,МПа
11ЮА
1200
Л72
800
АД1
400
0
60
80
100
120
140
2 м,
Если высота заготовки небольшая, то стационарный
этап
будет
отсутствовать.
Тогда
пластической
деформацией в любой момент выдавливания практически
будет охвачен весь объем заготовки, находящийся в
полости матрицы, за исключением той части, которая
миновала нижнюю границу ОПД. Тогда НДС каждой
точки ОПД является функцией времени.
При деформировании заготовок других форм общий
характер деформации сохраняется. При деформировании
трубных заготовок стационарная деформация наступает
значительно раньше (если линейные размеры заготовки
одинаковы).
105

106. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

При продольном выдавливании с истечением (обратное выдавливание) основное
влияние на вид графика нагружения “P-h”, абсолютную и удельную нагрузку, а также
работу деформирования оказывает профиль матрицы и пуансона.
Наиболее благоприятной является форма торца пуансона в виде усеченного конуса с двойным углом при
вершине 120...150°. В этом случае размеры зоны торможения значительно уменьшаются, и даже могут быть
сведены к нулю (зона не образуется), что заметно снижается силу деформирования. При применении пуансона с
поднутрением сила возрастает на 30 %. Матрица с плоским дном и усеченным конусом наиболее благоприятна, –
заметно снижает силу выдавливания на конечном этапе. Сочетанием благоприятных форм можно существенно (до
30...50 %) снизить силу деформирования по сравнению с формой обычного инструмента.
106

107. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Скорость
деформации
является
комплексным
фактором.
При ее повышении ухудшаются условия теплоотдачи
(тепло не успевает рассеиваться). Это обстоятельство
приводит к нагреву заготовки в зоне деформации. Так как
деформация велика температура нагрева может быть
высокой. На механическом прессе при деформировании
стальных, латунных и медных заготовок температура
заготовки может повышаться до 300...400°С.
С другой стороны повышение скорости ведёт к увеличению сопротивления. Следовательно, могут быть три варианта
итогового влияния: не изменяется, увеличивается, уменьшается. Исследованиями установлено, что действующее
оборудование обеспечивает такое изменение скорости деформации, итоговое влияние которой на силу деформирования,
как правило, относительно невелико. Следовательно, при расчетах этот фактор можно не учитывать.
Процесс выдавливания относят к таким, в которых контактные поверхности преобладают над свободными. Из-за
этого в общем объёме работы, требуемой для деформации, составляющая преодоление сил трения занимает значительную
часть.
107

108. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

На начальном этапе деформирования низких заготовок ОПД сразу охватывает
весь объем заготовки, а не часть по высоте, как у относительно высоких заготовок.
Критерием деления является отношение исходной высоты заготовки (H) к толщине
стенки детали (S) при продольном выдавливании стаканов и к радиусу
центрального отверстия в матрице (r) при выдавливании деталей со стержнем. Для
низких заготовок это отношение равно: H/S ≤ 3…3,5 и H/r ≤ 2…2,5. Главным
преимуществом выдавливания низких заготовок является отсутствие стационарной
стадии процесса и снижение на 20…25% общей силы деформирования за счет
уменьшения общего объема деформируемого материала и контактной поверхности
трения заготовки с инструментом.
Из анализа деформированного состояния заготовок нетрудно предположить, что высота заготовки может влиять на
величину силы деформирования, причем это влияние различно для разных диапазонов значения высоты заготовки.
Установлено, что при деформировании низких заготовок с увеличением высоты заготовки сила возрастает, а при
деформировании высоких заготовок максимальное значение силы от высоты заготовки зависит мало, а в некоторых
случаях такое влияние отсутствует.
При деформации высоких заготовок происходит рост размеров ОПД, общей величины деформации и контактной
поверхности, а максимальная сила соответствует максимуму деформации. На этой стадии условия, определяющие
108
величину силы, изменяются незначительно, и поэтому от высоты заготовки сила практически не зависит.

109. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Анализ диаграмм “Сила – путь инструмента” для схем продольного выдавливания со стоком и с истечением,
формируемых при использовании этих схем для изготовления деталей с постоянным по высоте сечением в
деформируемой части можно принять два характерных вида диаграмм для высоких и для низких заготовок.
Диаграмма «P-h» для высоких заготовок состоит из четырех участков.
Первый участок соответствует I этапу деформирования – формированию ОПД. В
конце этапа ОПД достигает своих предельных размеров.
Второй участок отвечает этапу стационарной деформации. В отдельных случаях сила
операции может снижаться при деформировании относительно высоких заготовок за счет
уменьшения контактной поверхности между заготовкой и матрицей.
Третий участок характеризует снижение силы за счет уменьшения ОПД и контактной
поверхности. При деформации с высокой скоростью сила снижается до 0,4 Pmax. Для
малых скоростей снижение может составлять до 0,25Pmax.
Четвертый участок относится к деформированию части объема заготовки,
находящейся под влиянием контактного трения во всем объеме и характеризуется резким
возрастанием силы.
По наличию или отсутствию участка с постоянной величиной силы можно судить о
том, какая заготовка была деформирована. При деформировании низких заготовок
109
наибольшая сила наблюдается в конце операции выдавливания.

110. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

В настоящее время для продольного выдавливания в литературе существует большое количество зависимостей
расчета силы: аналитические, эмпирические и полуэмпирические.
Для определения силы продольного выдавливания с истечением (прямое выдавливание) высоких заготовок С.И.
Губкиным получена формула для горячей деформации, которая затем была приспособлена для холодного
деформирования. Формула для стационарной стадии имеет вид:
F
Pmax 2n В F0 ln 0 e
F
4 H1
dМ
где в – предел прочности;
F0 – площадь поперечного сечения заготовки до деформации;
F – площадь поперечного сечения полуфабриката после
выдавливания;
dм, H1 – диаметр и высота конической части матрицы;
n – коэффициент, отражающий влияние угла матрицы,
отличающегося от 180° (2 < 180о, n = 0,85),
µ – коэффициент трения.
Формула дает результат, завышенный в несколько раз. Таким образом, положительным является учет факторов,
отрицательным – несовершенство учета влияния контактного трения.
110

111. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

При деформировании трубчатых заготовок используют формулу:
2 H1
F0
S
Pmax 2n В F0 ln e
F
Где F0, F – соответственно площадь поперечного сечения
трубчатой заготовки и полуфабриката;
H1 – высота конической части матрицы;
S – толщина стенки полуфабриката.
Для продольного выдавливания высоких заготовок (обратное выдавливание) Л.А. Шофманом получена формула:
F0
Pmax с В F0 ln
F
где F0 – площадь поперечного сечения заготовки до деформации (F0 = dм2/4);
F – площадь стенки заготовки после деформирования (F = /4(dм2 - dп2));
dм, dп – диаметр матрицы и пуансона;
c – коэффициент, учитывающий влияние всех факторов, кроме величины
деформации.
Значения с: 3,5…4 – для алюминиевых сплавов; 2,5…3 – для меди, латуни, малоуглеродистой стали.
Формула полуэмпирическая, так как учитывает влияние величины деформации и, не совсем явно, влияние
физико-механических свойств. Она дает очень хорошие результаты в пределах условий эксперимента, но в других
111
условиях неприемлема и может дать большую погрешность. Поэтому пользоваться ею нежелательно.

112. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Pmax 2 n В d П2
2
dП
2S
4
где n – коэффициент, учитывающий влияние формы рабочего профиля
инструмента;
S – толщина стенки.
Формула разработана С.И. Губкиным для горячей прошивки и не может быть прямо использована для холодного
выдавливания. Поэтому она приспособлена для расчета силы холодного выдавливания. Автор формально выявил влияние
последнего слагаемого в формуле. Получается формула, которая дает хорошие результаты не только в пределах, но даже и
за пределами эксперимента. Формула лучше, предложенной Шофманом, так как отражает влияние формы рабочей части
инструмента, физико-механических свойств, контактных условий, толщины стенки. К ее недостаткам следует отнести
недостаточный учет физико-механических свойств, в частности упрочнения.
112

113. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Особый интерес представляет формула:
d П2
1,25 h
Pmax 0,75n i
4.14 4,65
10 d М h
S
4
В формуле учтено влияние формы инструмента, сопротивления деформации, контактных условий, толщины стенки,
потери на трение на участках поверхности заготовки, на которых происходит деформация. Коэффициент 0,75 учитывает
неравномерность напряженного состояния
ОПД. Косвенно отражено влияние величины деформации по
формуле i = ln(F0/F).
Зависимость даёт гарантированное завышенные величины максимальной силы.
Основной сложностью является отсутствие чётких рекомендаций на выбор величины коэффициента n при
назначении той или иной формы торца пуансона.
В независимости от условий деформирования, одна форма рабочей части пуансона оптимальнее другой.
Например, в качестве оптимальной рабочей части пуансона рекомендуют применение конусности рабочей части в
60°…75° с плоской площадкой равной половине диаметра рабочего пояска. По другим данным оптимальным будет
пуансон с углом конусности 85°.
113

114. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

В ряде работ существует зависимость от такого показателя как
обжатие.
Если обжатие менее 58%, то более рационально будет
использовать пуансон с рабочей частью в виде сферы, а в случае
если обжатие более 58%, то рекомендуют пуансон с конической
рабочей частью. Тем не менее, эти результаты не согласуются с
экспериментами, где при выдавливании нормализованных заготовок
из стали 10 с обжатием 55…62% и изменением угла конусности
матрицы в диапазоне 20°…85°
уменьшало давление
деформирования на 15-20%.
Также выявлено, что пуансоны с заострённой формой торца
уменьшают силу деформирования, но при этом вызывают
преждевременное истечение смазки из-под торца пуансона, что
уменьшает глубину внедрения инструмента, так же при
эксцентричной установке заготовки происходит накернивание
заостренной частью пуансона, это приводит к изгибу пуансона и
дальнейшей поломке. Поэтому использование заостренных
114
пуансонов не рекомендуют.

115. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

h – высота рабочего пояска пуансона;
Dп – диаметр пуансона;
β – угол конусности всех приведенных
пуансонов, β = 120°;
Dm – диаметр плоского торца
Варьируемые
значения
Угол ,
Радиус вписанной сферы
R0, мм
Радиус закругления
кромки r, мм
Коэффициент
трения
Конический торец
Плоский
торец
-
Сферический торец
10
15
20
-
-
-
-
-
31,1
33,3
24,2
-
-
-
-
-
-
-
-
2
5
0,12
0,12
0,12
0,05
0,12
0,2
0,05
0,12
0,2
0,12
0,12
115

116. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Сравнение максимальной силы моделирования с результатами расчетов по зависимости (n=0.85), показало высокую
достоверность результатов. Отклонение расчетной величины максимальной силы составляет -4,0…3,5%.
Отмечено, что применение плоского торца при n=0.85 также имеет малое отклонение от расчетного значения.
Основное влияние на величину коэффициента n оказывает не сама форма торца, а форма перехода от рабочего пояска к
торцу.
Пуансон
10 градусов
15 градусов
20 градусов
Окружность r=31.1мм
Окружность r=33.3мм
Окружность r=24.2мм
Плоский торец с закруглением r=2мм
Плоский торец с закруглением r=5мм
Коэффициент
трения
Pmax, кН
(моделирование)
0,12
0,05
0,12
0,2
0,12
0,12
0,05
0,12
0,2
0,12
0,12
0,12
2893
2660
2825
3064
2787
2919
2751
2845
3036
2976
2759
2912
Pmax, кН
(расчетное
значение по 6.6)
2878
2655
2878
3133
2878
2878
2655
2878
3133
2878
2878
2878
Отклонения от
расчётного
значения, %
+ 0,5
+ 0,2
- 1,8
- 2,2
- 3,2
+ 1,4
+ 3,6
- 1,1
- 3,1
+ 3,4
- 4,2
+ 1,2
116

117. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Произведён расчет затраченной работы на деформирование.
Анализ результатов моделирования показал, что основное влияние варьируемые факторы оказывают на первую и
вторую стадии, из-за чего количество требуемой для деформирования энергии может сильно отличаться. Минимальные
результаты дает применение конусного пуансона. Естественной закономерностью является снижение количества
затраченной работы при увеличении угла конусности.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Геометрия пуансона с коэффициентом трения
20 градусов (0,12)
Окружность r=24.2 (0,12)
15 градусов (0,05)
15 градусов (0,12)
Окружность r=33.3 (0,05)
15 градусов (0,2)
Окружность r=31.1 (0,12)
Окружность r=33.3 (0,12)
10 градусов (0,12)
Окружность r=33.3 (0,2)
Плоский торец с радиусом закругления 5 мм
Плоский торец с радиусом закругления 2 мм
Затраченная работа, кДж
5548
5977
6024
6346
6467
6732
6776
6794
7040
7197
8347
8463
117

118. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Основным показателем величины деформации заготовки в процессе выдавливания служит относительное изменение
площади поперечного сечения заготовки или логарифм отношения:
F0
i ln
F
Большинство материалов, пригодных для холодного выдавливания, ввиду «мягкой» схемы напряженного состояния,
обладает таким запасом пластичности, что требуемую величину деформации можно получить за один переход, не
опасаясь появления трещин.
Однако современные инструментальные стали, применяемые для изготовления рабочего инструмента, выдерживают
в основном удельные силы не более 2500 (250) МПа (кгс/мм2), что ограничивает допустимые величины деформации
(таблица 6.3).
Установление размеров необходимо вести от конечной формы и размеров детали (полуфабриката) к исходной
заготовке. При выдавливании за один переход диаметр исходной цилиндрической заготовки D0 назначают меньше
диаметра последующего полуфабриката с учетом свободного вхождения заготовки в матрицу:
D0 d п 2z 0
где 2z0 = 0,05…0,2 – двусторонний диаметральный зазор между заготовкой и матрицей.
118

119. 6 Процессы выдавливания 6.3 Продольное выдавливание

Количество операций определяют методом подбора в зависимости от итоговой, требуемой величины деформации εΣ в
заданном контрольном сечении заготовки и допустимых значений величины деформации, рекомендуемых из условия
допустимых нагрузок на инструмент.
Процесс выдавливания не может конкурировать с вытяжкой тонкостенных деталей (полуфабрикатов). Поэтому, если
после выдавливания требуются операции вытяжки с утонением для уменьшения толщины стенки, то их расчет следует
вести по соответствующей методике.
Кроме определения количества переходов штамповки важным вопросом является назначение термических операций.
Особенно это важно в тех случаях, когда изготавливают сложные детали с большой величиной деформации при предельно
допустимых нагрузках на инструмент. Каких-либо специальных требований к термообработке не существует, но иногда
желательно иметь равномерные свойства по объему заготовки (полуфабриката).
Общим правилом является необходимость термической обработки заготовки (полуфабриката) перед операцией со
значительной величиной пластической деформации, если заготовка (полуфабрикат) получила наклеп на предыдущей
операции.
Несмотря на относительную лёгкость реализации простых видов операции выдавливания, они сильно ограничены в
технологических возможностях из-за высокого рабочего давления, возникающего на инструменте. Одним из путей
расширения технологических возможностей операции выдавливания является переход или оценка возможности такового
на применение комбинированных схем операции выдавливания.
119

120. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Комбинированные виды процесса выдавливания, сочетающие в себе его простые виды, позволяют расширять
технологические возможности изготовления деталей сложной формы.
Анализ возможности процессов комбинированного выдавливания показывает большое количество примеров
комбинированных процессов выдавливания и деталей, изготавливаемых с их помощью. Приведенные примеры
свидетельствуют о большом потенциале комбинированных процессов для интенсификации производства.
Многочисленные исследования показывают, что применение комбинированных процессов холодного выдавливания
способно повысить КИМ и сократить технологический процесс. Несмотря на это, большинство разработанных
комбинированных процессов не находят широкого применения на практике, так как требуют энергоёмкого оборудования
120и
специальной штамповой оснастки.

121. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

В технологических процессах изготовления некоторых изделий полый полуфабрикат формируют штамповкой из
листовой заготовки с применением операции свёртки-выдавливания. Это позволяет повысить точность по сравнению с
обычной свёрткой, а при использовании квадратных или шестигранных заготовок существенно сократить потери металла
при раскрое.
Основной особенностью процесса является то, что при штамповке
металл перераспределяется по периметру. Это позволяет получать
полуфабрикаты с минимальной косиной и разностенностью,
значительно экономить металл. Форма и размеры заготовки
существенным образом влияют не только на КИМ, но и на величину
допустимой деформации, характер формоизменения, максимальные
технологические нагрузки.
1 – матрица; 2 – пуансон;
3 – выталкиватель; 4 – заготовка;
5 - полуфабрикат
121

122. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

sф
C1
DМ
P PСТk1 1 b amd
С1 0,045
С1 1 d П1 DМ 2 sin 2α М cosα М
где РСТ = q·F – сила стационарного этапа штамповки;
F – площадь поперечного сечения пуансона;
a и b – коэффициенты пропорциональности (для Латуни Л70 a=1,56; b=1,25);
sф – толщина фланца;
k1 – коэффициент учитывающий влияние формы пуансона
(k1=1,18…1,25 – для заготовок с плоским торцом; k1=1,08…1,10 – для
шестигранных заготовок; k1=1,0 – для четырехгранных заготовок).
122

123. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

При проведении операции ограничением степени деформации является возможность отрыва дна и предельные
нагрузки на инструмент. При малых степенях деформации квадратных заготовок может происходить образование складок
или продольных трещин. Преимуществом процесса перед обычной сверткой является высокая точность размеров, которая
соответствует 9…10-му квалитетам, а шероховатость поверхностей Ra=1,25…0,63. К недостаткам можно отнести
относительно высокие удельные силы и неравномерность распределения механических свойств из-за неоднородной
деформации в случае применения заготовок квадратной или шестигранной формы, а также возможность образования
продольных трещин на последующей вытяжке.
Зоны допустимой деформации на операции вытяжка-выдавливание заготовок из стали 18ЮА
(а), латуни Л70 (б) и Биметалла 1 (в)
123

124. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Вариантов изготовления полых полуфабрикатов при использовании листовых
заготовок может служить процесс комбинированного двухстороннего продольного
выдавливания. Процесс во многом схож с процессом свертки-выдавливания при
одном существенном отличии – возможности свободного течения металла в верхний
и нижний зазоры между матрицей и пуансоном. Равномерное распределение
металла и наличие дополнительного зазора снижают технологическую силу. Однако
при использовании квадратных и шестигранных заготовок такой способ теряет одно
из основных своих преимуществ работы, а именно отсутствие фестонов на кромке
формируемой заготовки.
Альтернативным вариантом изготовления полого полуфабриката является
применение прутковой заготовки с последующей обработкой методами
выдавливания. Наиболее простым решением в этом случае является применение
продольного выдавливания с истечением.
1 – матрица;
2 – пуансон;
3 – выталкиватель;
4 – заготовка;
124
5 – полуфабрикат

125. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Уменьшить удельные нагрузки на инструмент при изготовлении полого
полуфабриката можно за счёт применения комбинированного процесса ППВ.
Впервые процесс ППВ был предложен и исследован M. Kunogi в 1956г.
Цилиндрическая заготовка подаётся в приёмную часть матрицы до упора в
торец
противопуансона.
деформирование
с
Под
силовым
вытеснением
воздействием
металла
в
зазор
пуансона
между
происходит
матрицей
и
противопуансоном, где формируется толщина стенки. По результатам исследования
были
рекомендованы
следующие
соотношения
размеров:
α=20°…30°;
β=120°…150°; h=(1,2…1,8)dп-п; (DМ/dП-П)≤1,2. Процесс деформирования протекает
легче при zМ>0 и затруднен при zМ<0, а наличие цилиндрического пояска у
противопуансона усложнят съем готовой детали. Сила выдавливания снижается по
сравнению с продольным выдавливанием на 25…40%.
125

126. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Главные особенности схемы:
важным является определение параметров инструмента для проведения
процесса в постоянно сужающийся зазор
величина удельной нагрузки зависит от положения противопуансона в
полости матрицы
удельная нагрузка может быть снижена до 1,85σ0,2.
Методом баланса мощностей получено выражение для определения
удельной силы на пуансоне. Установлены выражения для расчета полей
скоростей деформации и интенсивности скоростей деформации.
Проведенный анализ показал, что удельная нагрузка при ППВ на 6070% меньше, чем при продольном выдавливании сферическим пуансоном
деталей одинаковых размеров. Однако отсутствуют определенные в
представления схемы НДС в очаге деформации, нет рекомендаций по
рациональной реализации процесса.
126

127. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

При рассмотрении вопроса горячего ППВ полой детали установлены
геометрические соотношения размеров матрицы и пуансона, образующих зазор и
различия между ними. Принципиальное отличие принятой для анализа схемы
заключается в наличии плоского торца противопуансона. Показана взаимосвязь
между закономерностью изменения кольцевого зазора, формирующего стенку
полуфабриката, и геометрическими параметрами инструмента. С учётом этих
соотношений выведены зависимости для расчёта силы деформирования.
Экспериментальная проверка, проведенная в лабораторных и производственных
условиях, дала удовлетворительную сходимость с расчётными значениями.
Показано, что такая схема позволяет существенно сократить количество
прессовых и промежуточных операций и повысить КИМ до 0,92.
1 – матрица; 2 – пуансон;
3 – противопуансон; 4 – заготовка;
5 – полуфабрикат;
Fвх – входное сечение;
Fср – среднее сечение;
Fвых – выходное сечение
127

128. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Рассмотрена аналогичная схема ППВ с использованием жидкости высокого
давления,
а
также
экспериментальная
проверка
расчётных
результатов.
Предложено выражение для определения степени деформации при выдавливании
в зависимости от размеров изделия и заготовки. Разработаны зависимости для
расчёта удельной силы на пуансоне от степени деформации и относительных
размеров
исходной
заготовки.
Получено
выражение
для
определения
геометрических размеров пуансона, обеспечивающих постоянство площади
поперечного сечения потока деформируемого металла, в том числе при ее
равенстве площади исходной заготовки. Даны методические рекомендации по
проектированию процесса.
128

129. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Применение схемы ППВ в отдельных типах производства может быть затруднительно.
Во-первых, в условиях последующего формоизменения полого полуфабриката из-за конической формы придонного
участка возрастает вероятность образования внутреннего наплыва металла.
Во-вторых, объем заготовок ограничивает возможные размеры полуфабрикатов.
Для изготовления высоких полых изделий с тонкой
стенкой (гильз, баллонов и т.п.) наиболее пригодна схема с
плоским торцом противопуансона и его радиусным переходом
на цилиндрическую часть.
1 – матрица;
2 – пуансон;
3 – противопуансон;
4 – заготовка;
5 – полуфабрикат
129

130. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

Закономерности формоизменения и деформирующей
силы для заготовок из различных материалов одинаковы.
Величина предельной интенсивности деформации при ППВ
составляет (0,5…1)εip, в зависимости от соотношения
диаметров заготовки и полуфабриката. Установлено, что
неравномерность деформации тем больше, чем меньше
радиус скругления рабочей части противопуансона.
Разностенность при диаметре полуфабриката до 23,6 мм и
толщине стенки до 3 мм не превышала 0,04 мм. Одним из
параметров,
существенно
ограничивающим
технологические возможности ППВ, является величина
предельной деформации в зонах возможного разрушения
материала заготовки. Величина силы деформирования в
значительной степени зависит от толщины стенки и радиуса
скругления рабочего торца противопуансона.
1 – матрица;
2 – пуансон;
3 – противопуансон;
4 – заготовка;
5 – полуфабрикат
130

131. 6 Процессы выдавливания 6.5 Комбинированные процессы выдавливание

При изготовлении полых полуфабрикатов с аналогичными простому продольному выдавливанию размерами
продольно-поперечное выдавливание имеет ряд преимуществ перед продольным обратным выдавливанием:
-диаметр заготовки меньше, чем диаметр полуфабриката, что облегчает процесс отрезки, повышает качество торцев
заготовок, позволяет устранить или минимизировать необходимость осадки для калибровки;
-существенно снижаются удельные нагрузки на инструмент (в 1,5…1,8 раза).
-на заготовительных операциях меньше выражено искажение торца;
-форма полуфабриката после выдавливания позволяет на последующих вытяжных операциях вывести из зоны
деформирования утолщённое дно заготовки, что повышает стойкость рабочего инструмента.
Общим недостатком способов ППВ можно считать усложнение конструкции штампа. Однако его применение может
позволить отказаться от операции калибровки заготовки после отрезки, что сократит технологический процесс.
131

132. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

На диаграмме P – h «сила – путь инструмента» можно выделить следующие стадии процесса:
1 – упругопластическая деформация высадки заготовки и вдавливание в неё торца противопуансона;
2 – образование ОПД под торцом пуансона и начало поперечного течения металла в зазор между матрицей и
противопуансоном;
3 – изгиб выдавливаемого металла и формирование стенки;
4 – продольно-поперечное течение металла с возрастанием силы трения по поверхности контакта стенки с матрицей;
132
5 – условно стационарный этап процесса.

133. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Стадия 1
Под действием пуансона происходит осадка заготовки и зарождение
очага пластической деформации, который имеет форму полусферы. На
торце противопуансона образуется зона торможения. Радиальные и
тангенциальные составляющие деформации положительны, а осевой
компонент имеет отрицательный знак. Величина интенсивности
деформации и компонентов напряжённого состояния, незначительна. В
конце стадии начинает формироваться верхняя граница ОПД.
133

134. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Стадия 2
На второй стадии продолжается формирование очага пластической
деформации выдавливанием металла в зазор. Внутренние слои металла
испытывают большее торможение трением, чем наружные, за счет чего на
торце полуфабриката образуется утяжина.
На протяжении всей стадии ОПД увеличивается в размерах по
направлению к боковой поверхности заготовки и окончательно
формируется верхняя граница ОПД.
134

135. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Стадия 3
На третьей стадии происходит стабилизация технологической силы,
наибольшее её увеличение связано с возрастанием площади поверхности трения
по противопуансону. Окончанием стадии является момент касания стенкой
боковой поверхности выходной части матрицы.
На протяжении стадии интенсивность деформации растет по величине на тех
же участках, что и во второй стадии, область максимальных значений на торце
противопуансона расширяется к боковой поверхности. Окончательно
формируется нижняя граница ОПД.
135

136. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Стадия 4
Происходит рост усилия за счёт принудительного
заполнения зазора между опорным пуансоном и
матрицей и увеличение поверхности трения. Толщина
стенки сформирована.
136

137. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Стадия 5
Пятую стадию можно читать условно стационарной.
Происходит увеличение высоты полуфабриката. Сила
практически не изменяется. Её небольшое увеличение
связано с уменьшающейся толщиной дна за счёт
сближения торцов пуансонов и повышением сил трения
на контактных поверхностях.
137

138. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Деформированное состояние заготовки на всех этапах формоизменения характеризуется значительной
неоднородностью. Наиболее деформированной зоной заготовки является слой металла на внутренней поверхности,
контактирующей с противопуансоном. В этой зоне схема напряжений близка к простому сжатию, а интенсивность
деформации на 3-й, 4-й и 5-й стадиях достигают εi = 100%. С учетом пластического перемещения этих слоев на
периферию, где интенсивность деформации также значительна, суммарная степень деформации может достигать
ei = 200%.
Наружные слои деформированы значительно меньше. Интенсивность деформации в зоне, находящейся под торцами
пуансонов, не превосходит εi ≤ 50%. На периферии с учётом пластического перемещения металла она достигает
εi ≤ 50…60%. Суммарная степень деформации на наружных слоях не превосходит εi ≤ 100%. Поэтому поперечное сечение
полуфабриката будет иметь значительное неравномерное упрочнение по толщине стенки.
Напряжённое состояние заготовки в ОПД также характеризуется неоднородностью.
Осевые напряжения σz в центральной зоне сжимающие и постоянно возрастают достигают максимальной величины к
окончанию процесса σz = -1000 МПа.
Радиальные сжимающие напряжения наиболее активны в цилиндрической части заготовки (σr = 1100 МПа) и на
границе перехода в ОПД создают значительные распорные нагрузки на матрицу. В зоне ОПД они уменьшаются до нуля, а
в конце процесса в зоне контакта с противопуансоном становятся растягивающими.
138
Формирование ОПД заканчивается уже на третьей стадии. К этому моменту в зоне радиусного перехода матрицы
на
наружной поверхности заготовки действуют σθ = 600…700 МПа и в этой зоне сохраняется свободная поверхность.

139. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Периферийный
участок
претерпевает
деформацию,
которая
определяется
изменением диаметров, однако сюда
поступает уже деформированный металл
из центральной зоны. При этом на
наружной границе криволинейного и
цилиндрического
участков
действует
жесткая схема напряжённого состояния –
одностороннее
растяжение
в
тангенциальном направлении (σθ > 0;
σr ≈ 0; σz ≈ 0). Эту зону можно считать
критической с точки зрения появления
рыхлостей или даже продольных трещин,
что можно считать одним из ограничений
процесса ППВ.
139

140. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Суммарная степень деформации на наружной поверхности стенки может быть рассчитана по зависимости:
в
D
0,2
D
d
пф
пф
пф
ei ln
dпф
zМ
Предельное значение [ei пр] пределяют соотношением :
ei пp 2 εip e 0,72K
Несмотря на малые значение радиального σr и осевого σz компонентов напряжений, они оказывают существенное
влияние на величину жесткости схемы напряжённого состояния.
При всех условиях штамповки угловая зона выходного участка матрицы остаётся до конца незаполненной,
т.е. эта часть заготовки не контактирует с матрицей. Поэтому влияние угла конусности матрицы на
технологическую силу можно считать условным. Для обеспечения «закрытости» процесса целесообразно этот
угол применять в пределах 25° ≤ αм ≤ 40°.
140

141. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Установлено, что уменьшение толщины стенки (т.е. увеличение
степени
деформации)
выдавливаемой
детали
увеличивает
технологическую силу и ведёт к росту удельных нагрузок на инструмент.
Важнейшим фактором, влияющим на характер течения металла и
определяющим объём ОПД , а, следовательно, и на силовые параметры
процесса, является расстояние между торцом противопуансона и
приёмной частью матрицы zм. Изготовление детали с точными
размерами стенки возможно при условии zм > 1.15×S. Это обеспечит
более интенсивное заполнение металлом угловой зоны матрицы и
принудительное формирование толщины стенки в зазоре между
матрицей и противопуансоном. Величина zм определяет размеры донной
части выдавливаемого полуфабриката и оказывает заметное влияние на
технологическую и удельную нагрузку на пуансоне. При этом, чем
больше выдавливаемая толщина стенки S, тем меньше силовые нагрузки.
141

142. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Для установления расчётных зависимостей и влияния технологических
факторов на силовые параметры процесса ППВ в работе использован МБМ.
Результаты
анализа
позволяют
установить
зависимости,
дающие
возможность экстремальной оценки влияния факторов на деформирующую
силу.
Для анализа принята расчётная схема, соответствующая 4-й стадии
процесса.
В представленной модели зоны 1, 4 и 5 приняты абсолютно жесткими, а
зоны 2 и 3 – идеально пластичными.
142

143. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Условие равенства мощностей внешних и внутренних сил записывается в виде:
Wp Wi WΔ Wτ
где Wp – мощность нагрузок деформирования, приходящихся на единицу поверхности Fk;
Wi – мощность внутренних сил в объеме заготовки V, охваченном пластической деформацией;
WΔ – мощность, развиваемая максимальными касательными напряжениями на всех поверхностях разрыва скоростей FΔ;
Wτ – мощность сил контактного трения τk, приходящихся на единицу поверхности контакта Fτ.
Wp q dF
Fk
W i
Wi i i dV
V
F
3
dF
W k c dF
F
Для выделенных зон функция тока принята в виде:
Φ 2 0,5 υ0
ρ c
R12 c2
2
2
ρ 2 sin 2θ c2 sin 2αм
143

144. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Соответствующие мощности всех сил определяются в каждой пластически деформированной зоне на кинематически
возможных скоростях перемещения металла.
Так как при ППВ реализуется значительная степень деформации, то для учета упрочнения материала заготовки
применяем аппроксимирующую зависимость:
i iy 1 iy ei iy
Однако можно применять и стандартную зависимость В.М. Розенберг.
Для определения средней степени деформации ei на операции применяем зависимость:
в
D
0,375
D
d
пф
пф
пф
ei ln
dпф
zМ
DМ S
2 i 0.2 DМ
Pт 0,64 d П
4
3 i dП
dП
dП
2
0.6
zМ
2.2
d П
144

145. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Значение
параметра
Моделирование,
(qmax)КМ, МПа
МБМ,
(qmax)МБМ, МПа
qmax МБМ qmax КМ
100 %
qmax КМ
28
1706,14
2072,83
21,5
29,4
1731,60
2129,17
23,0
30
1772,98
2149,54
21,2
4,7
1731,60
2129,17
23,0
5,0
1610,64
2162,59
34,3
18,5
1822,90
2341,12
28,4
20,0
1731,60
2129,17
23,0
21,5
1641,64
1942,43
18,3
Высота противопуансона zм, мм
5
1578,81
2160,05
36,8
6
1648,84
2143,81
30,0
Угол конусности α,
град
25°
1400,56
1800,675
28,6
35°
1502,419
2037,179
35,6
Изменяемый
параметр
Выходной диаметр
Dм, мм
Толщина стенки S,
мм
Диаметр исходной
заготовки dм, мм
145

146. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Полученные результаты экспериментального исследования показали незначительные отклонения технологических
сил от компьютерного моделирования на каждой стадии процесса.
146

147. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Анализ силового режима и формы заготовки на стадиях так же при больших углах конусности матрицы (≥45°)
показал незначительное отклонение экспериментальной и компьютерной диаграмм силы. Качество наружной
поверхности полуфабриката неудовлетворительное, пористое, что свидетельствует о критическом состоянии металла на
боковой поверхности, близком к разрушению.
То есть, как и было предположено ранее, одним из основных дефектов, при изготовлении детали после операции
ППВ является пористость наружной поверхности и возможность разрушения заготовки в этой зоне.
147

148. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Анализ общих результатов моделирования и эксперимента показал, что необходимо также отдельно рассмотреть
влияние таких факторов как:
угол конусности матрицы α;
радиусы скругления пуансона Rм и матрицы Rп, а также их соотношение;
форма торца неподвижного пуансона;
влияние коэффициента трения.
При этом следует отметить, что основной задачей анализа геометрии инструмента является определение таких
соотношений размеров неподвижного пуансона и матрицы, которые позволят обеспечить постоянное уменьшение
площади кольцевого зазора, по аналогии с конической формой неподвижного пуансона.
Анализ геометрии рабочего инструмента позволил выявить ещё одно преимущество схемы с радиусными
переходами, которое заключается в простоте реализации выдавливания в постоянно сужающийся зазор, что положительно
сказывается на предельных возможностях деформирования заготовки и снижает возможность образования трещин на
наружной поверхности. Сложность реализации такой геометрии вызвана тем, что в случае процесса продольнопоперечного выдавливания следует обеспечивать не постоянное уменьшение толщины стенки, а площади поперечного
сечения. Именно наличие радиусных переходов позволяет обеспечивать постоянное уменьшение площади зазора между
148
пуансоном и матрицей, в то время как при конической форме противопуансона это может вызвать затруднения.

149. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Установлено, что применение конусного торца позволяет
уменьшить удельную нагрузку. Так при угле 150° удельная
нагрузка в независимости от других параметров снижается на
99...251 МПа.
Так же были подтверждены ранее полученные результаты,
согласно которым удельная нагрузка снижается при уменьшении
угла конусности матрицы. Установлено, что применение угла
конусности α ≤ 30° является возможным при условии, что объём
и размеры заготовки позволяют достигать требуемых размеров.
Из приведённых зависимостей видно, что при большом радиусе
скругления матрицы уменьшение угла конусности α меньше 25°
не влечёт существенных изменений удельной нагрузки. Это
можно объяснить тем, что при таком соотношении размеров
обеспечен постоянный контакт заготовки с матрицей при
плавном течении металла при деформации.
149

150. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Из анализа результатов, в том числе параметров НДС, видно, что радиус скругления матрицы не оказывает влияния на абсолютную
и удельную нагрузку, но его увеличение позволяет достигать плавного и постоянного прилегания металла заготовки к матрице, что
снижает вероятность образования трещин и позволяет реализовывать более высокие степени деформации.
Пуансон
150°
150°
180°
Противопуансон
180°
150

151. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Объём заготовки Vз, мм3
Vз Vд ΔV ;
Диаметр заготовки dз, мм
dз = (0,9…1,0)Dд
где Dд – наружный диаметр детали
Высота заготовки hз, мм
Диаметр цилиндрической части дна dпф, мм
Толщина дна Sпф, мм
(расчёт по объёму донной части детали Vдн)
hз
ΔV 0,15Vз – обрезка
4 Vз
π d 2з
dпф = dз + (0,2…0,4 мм)
Sпф
4 Vдн
Dпф d пф
π
2
2
Внутренний диаметр полуфабриката dвпф , мм
в
dпф
dдв 0,05...0,1мм n ,где n – кол-во вытяжных операций
Угол конусности донной части α, град.
Угол конусности торцевой части противопуансона β, град.
Рабочая высота положения противопуансона zм, мм
Радиус скругления донной части rпф, мм
Радиус скругления наружного перехода конуса Rпф, мм
Толщина стенки в нижнем расчётном сечении Sнпф , мм
2α = 50…70˚
β = 150…180˚
zМ = (0,26…0,35)dз
rпф = (0,27…0,29)dз
rпф = (0,54…0,58)dз
Sнпф 0,22...0,2 8 d з
Диаметр полуфабриката Dпф, мм
Dпф = (1,38…1,54)dз
Толщина стенки в верхнем расчётном сечении Sвпф , мм
С учётом угла конусности противопуансона 1,5…2,5˚
в
н
Dпф d пф
2 Sпф
151

152. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Анализ характера распределения компонент напряжённого состояния по наружной поверхности заготовки
показывает, что характер их распределения в целом соответствует ранее полученному описанию.
Видно, что преобладают высокие растягивающие тангенциальные напряжения, которые имеют максимальную
величину именно на изначально свободной поверхности. Следует отметить, что этот участок заготовки при последующей
деформации также не контактирует с матрицей и является свободной поверхностью.
В рекомендуемом диапазоне
размеров
полуфабриката
и
инструмента
при
определении
предельной степени деформации
можно
принять
коэффициент
жёсткости
схемы
напряжённого
состояния K = 1.5, а саму зависимость
записать
в
форме
изначально
предложенной для расчёта.
e 2 ε e
i пp
ip
0,72K
152

153. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Анализ
графиков
распределения
интенсивности деформации по толщине
стенки показывает, что наибольшая
интенсивность деформации и основная
неравномерность
сосредоточены
на
внутренней
поверхности
стенки
полуфабриката в слое толщиной примерно
1/3·Sст.
Общая
неравномерность
интенсивности деформации в этом слое
составляет примерно 200…300%. При этом
степень
деформации
возрастает
с
увеличение
угла
конусности
противопуансона. По оставшейся толщине
стенки
неравномерность
степени
деформации значительно меньше.
Также следует отметить, что степень
деформации на внутренней поверхности
становиться меньше по мере удаления от
дна.
153

154. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Минимальная величина степени деформации во всех случаях формируется в слое материала, который расположен
примерно в 1/3·Sст от наружной поверхности. А сама степень деформации на наружной поверхности больше, чем
минимальная величина на 20…100% и более в зависимости от конкретных условий выполнения операции. В среднем
разница составляет 40%.
Такой характер степени деформации по наружной поверхности указывает на плотный контакт заготовки с матрицей,
в результате которого из-за трения металл на поверхности тормозиться, по сравнению с внутренними слоями полой
заготовки.
D пф 0,375 D пф d впф
e i ln
d пф
z
М
d пф D пф d нпф
e i ln
D
z
пф
М
Если не учитывать степень деформации во внутреннем, то есть наиболее
упрочнённом слое, то можно с достаточно высокой достоверностью (-10…10%) применять
зависимость для определения средней степени деформации заготовки.
Зависимость такого вида уже позволяет определять среднюю степень деформации в
стенке с учётом максимальной степени деформации на внутренней поверхности. При этом
во всём рекомендуемом диапазоне изменения углов торца противопуансона даёт точность 5…10%, что можно считать допустимым.
154

155. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Если рассмотреть характер распределения интенсивности деформации εi, коэффициента жёсткости схемы
напряжённого состояния К и предельной степени деформации [ei пр], то можно видеть невыполнение принятого условия
прочности на коническом участке заготовки.
Однако, следует учитывать, что в рассматриваемый момент деформации (окончание 2 стадии) и все предшествующие
моменты заготовка находится в постоянном контакте с матрице по коническому участку, что и блокирует процесс
разрушения.
На свободной боковой поверхности, которую можно ограничить величиной
L = zМ + hI, где hI ≈ 2 мм – величина рабочего хода на первой стадии деформации,
условие прочности выполняется, а интенсивность деформации значительно
меньше средней расчётной.
По величине интенсивности деформации на рассматриваемом участке
можно сделать вывод, что основной вклад в пластическую составляющую вносит
тангенциальный компонент деформации. Таким образом, сделанное ранее
заключение об опасном участке для предложенных рекомендаций по выбору
размеров полуфабриката следует скорректировать.
ei пp
Критерий прочности заготовок можно сформулировать следующим образом:
155
разрушение заготовки не происходит, пока величина тангенциальной деформации
на свободной кромке не превышает предельной деформации.

156. 6 Процессы выдавливания 6.6 Продольно-поперечное выдавливание

Процесс продольного двухстороннего выдавливания сравнительно прост в
реализации и не требует специализированного оборудования и сложной
штамповой оснастки. Операция предназначена для изготовления деталей
ступенчатой формы и полуфабрикатов для последующей штамповки вытяжкой
с учётом получения относительно высоких толстостенных деталей.
Жёсткость конструкции «матрица-пуансон-заготовка» обеспечивает
высокую точность диаметральных размеров, соответствующую квалитету H10,
h10, минимальную разностенность и шероховатость контактных поверхностей
в пределах Ra0,40…0,60 мкм.
Закономерность изменения толщины стенки достигается за счёт нижнего и
верхнего зазоров и соотношения углов конусности матрицы и пуансона.
Несмотря на имеющиеся патентные разработки по применению продольного
двухстороннего выдавливания, теоретических сведений о процессе, его
возможностях и ограничениях недостаточно для эффективного использования
его в производстве металлических деталей.
156

157. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Верхняя часть заготовки деформируется по схеме обратного продольного
выдавливания. Интенсивность выдавливания зависит не только от степени
утонения стенки верхней части заготовки, но и от условий деформации нижнего
участка. Чем больше утонение стенки в нижней части, тем более интенсивно
происходит торможение металла, и тем легче он выдавливается в верхний зазор.
Для операции построены типовые диаграммы «P–h», на которых можно
выделить три характерных стадии:
вытяжка с подпором торца заготовки (нижний ОПД);
нестационарный этап формирования верхнего ОПД;
условно стационарный этап с одновременной деформацией металла в
верхнем и нижнем ОПД.
157

158. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Характер изменения диаграммы и формоизменения заготовки показывает,
что при равенстве степеней утонения стенки в верхнем и нижнем ОПД,
происходит комбинированное взаимодействие сил и деформаций. Заготовка
втягивается в нижнюю часть матрицы (вытяжка), а со стороны верхней ступени
пуансона осуществляется силовой подпор с частичным выдавливанием металла
вверх, что разгружает опасное сечение. При этом, выступающая часть
пуансона, находясь в контакте с донной частью заготовки, исключает затекание
металла под торец пуансона и образование внутренних наплывов на начальном
этапе процесса.
Во всех разновидностях процесса необходимым условием является
обеспечение невозможности затекания металла под торец пуансона. Это может
быть достигнуто за счёт регулирования высоты выступающей части пуансона
относительно глубины полости исходной заготовки.
158

159. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Для процесса продольного двухстороннего выдавливания
получены диаграммы зависимости сила – путь инструмента «P–
h», которые, как было показано, можно разделить три
характерных стадии:
1 – стадия предварительной деформации придонного участка
и установившаяся стадия вытяжки с утонением стенки заготовки;
2 – начало формирования второго ОПД в верхней части
стенки;
3 – двухстороннее выдавливание.
159

160. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Первая стадии в целом полностью соответствует процессу
вытяжки с утонением, но завершение этой стадии может иметь три
варианта.
Первый вариант условно стационарный (минимальное изменение
технологической силы).
Вторым
вариантом
является
незначительный
рост
технологической силы на завершающем участке стадии.
Третьим вариантом - незначительное снижение технологической
силы в конце стадии.
Сравнительно небольшое изменение технологической силы на
первой стадии говорит об устойчивости процесса, а изменение силы
связано с колебаниями высоты нижней ступени, так как она
определяет момент начала формирования второго ОПД.
Стадия вытяжки придонного участка заготовки является
наименее нагруженной по силовым параметрам, но определяющей
прочность нижнего опасного сечения заготовки. Это связано с
действием значительных растягивающих напряжений в стенки,
которые могут привести к отрыву дна.
160

161. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Начало второй стадии и формирование второго ОПД связано с
резким ростом технологической силы, однако, интенсивность роста
силы постепенно уменьшается по мере движения пуансона. Кроме
того, из диаграмм видно, что с ростом относительного утонения
стенки интенсивность роста технологической силы падает. Особенно
это заметно при относительном утонении ms = 0,60.
На последней стадии рост технологической силы продолжается,
но его интенсивность невелика. Резкое изменение силы на третьей
стадии может быть связано с методом её определения (метод
конечных элементов). Анализ скорости течения металла показал, что
скорость течения в обратном направлении почти вдвое меньше, чем в
прямом направлении. Однако, опережающего течения металла в
прямом направлении не наблюдается или оно незначительно.
161

162. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Следует отметить, что в некоторых вариантах процесса с относительным утонением
ms = 0,40 высоты верхней ступени пуансона было недостаточно для обеспечения свободного
течения металла. Это привело к тому, что в конце третье стадии наблюдается резкий рост
технологической силы и опережающее течение металла придонного участка. Таким образом,
выдавливание переходит из двухстороннего в одностороннее. С учётом того, что в реальных
условиях на заготовке будет формироваться фестон, назначение высоты верхней ступени
пуансона является не менее важным, чем для нижней ступени.
Высота верхней ступени должна соответствовать объёму стенки таким образом, чтобы
течение металла было непрерывно на всем процессе.
Стоит отметить, что в конце процесса, когда границы обоих ОПД соприкасаются, а сами
они фактически объединяются, существенных изменений в диаграмме «P–h» это не вызывает.
Максимальная технологическая сила не всегда соответствует окончанию процесса. Причиной
этого может быть то, что, несмотря на рост степени деформации, по мере движения пуансона
объём металла между очагами пластической деформации постоянно уменьшается.
162

163.

Диаметр нижней части
пуансона, мм
Толщина заготовки ,
мм
3
10
4
5
3
13
4
5
3
16
4
5
Коэффициент утонения
стенки
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
0,4
0,5
0,6
Максимальная
технологическая сила
11,40
7,88
6,08
27,40
11,28
8,64
38,36
15,76
11,84
17,68
10,20
6,88
18,84
14,56
9,72
44,80
17,80
13,20
17,04
11,80
9,08
27,64
17,72
12,96
52,80
21,52
17,12
Удельная нагрузка на
инструмент
567,0
391,9
302,4
1076,7
443,3
339,5
1221,0
501,7
376,9
623,6
359,8
242,7
543,9
420,4
280,6
1078,3
428,4
317,7
448,3
310,4
238,9
611,0
391,7
286,5
994,5
405,3
322,5
163

164. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Из графиков видно, что при увеличении относительной
толщины стенки возрастает так же удельная нагрузка. При
коэффициенте утонения ms = 0,50 зависимость удельной нагрузки
от относительной толщины стенки имеет линейный характер, а
при ms = 0,40 так же имеет линейный характер, но при
превышение значения относительной толщины стенки S/D≈0,18
интенсивность роста удельной нагрузки увеличивается, сохраняя
линейный характер. Это может быть вызвано тем, что при
больших значениях относительных толщины стенки конструкция
рабочего инструмента не обеспечивает течение металла или
затрудняет в прямом и обратном направлении из-за неверно
выбранных размеров рабочего инструмента.
164

165. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Рассматривая
зависимости
удельной
нагрузки
от
коэффициента уменьшения диаметра, можно отметить, что при
возрастании
коэффициента
уменьшения
диаметра
удельная
нагрузка убывает. При ms > 0,50 зависимость имеет линейный
характер, а при ms < 0,40 так же имеет линейный характер, но при
повышении значения коэффициента уменьшения диаметра c
md ≈ 0,85 интенсивность снижения удельной нагрузки возрастает,
но также имеет линейный характер. Резкий рост удельной
нагрузки при небольших значениях коэффициента утонения
стенки заготовки, вызван общим повышение жесткости схемы
напряженного состояния из-за роста степени деформации.
165

166. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Общие результаты анализа операции показали, что из выделенных конструктивных факторов, наибольшее влияние
при нормальных условиях трения (до 0,15) имеют:
коэффициент утонения в нижнем сечении;
коэффициент утонения в верхнем сечении;
соотношение коэффициентов утонения в верхнем и нижнем сечении;
угол конусности матрицы и пуансона.
166

167. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Также отмечено, что при увеличении коэффициента утонения в нижнем сечении до 0,8 течение металла в верхний
зазор почти полностью прекращается.
Анализ результатов моделирования по влиянию угла конусности показал, что общий характер изменения силового
режима остаётся неизменным и в целом соответствует ранее описанной последовательности (3-ей стадии). Из графиков
зависимости удельной нагрузки от изменения коэффициента утонения при различных углах конусности видно, что при
уменьшении коэффициента утонения возрастает удельная нагрузка. В тоже время при одинаковых коэффициентах
утонения удельная нагрузка возрастает с увеличение угла конусности с 60° до 90°, хотя это увеличение является
относительно небольшим (до 100 МПа).
167

168. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Характер изменения силы при реализации операции с различными коэффициентами утонения в верхнем и нижнем
сечении не имеет существенных отличий, от ранее приведённых графиков, то есть так же может быть разбит на 3 стадии.
Первая стадия (вытяжки с утонением) существенных изменений не имеет.
На второй стадии (формировании второго ОПД) следует отметить более высокую интенсивность роста
технологической силы, по сравнению с базовыми результатами. Кроме того, с уменьшением относительного утонения в
верхнем сечении высокая интенсивность роста силы сохраняется на большем участке диаграммы. При этом на начальном
этапе стадии, разница в интенсивности роста хотя и присутствует, но остаётся небольшой. Также следует отметить, что
сила окончания второй стадии во всех случаях больше, чем при базовом моделировании, что является следствием
снижения коэффициента утонения в верхнем сечении. При этом, чем меньше значение коэффициента утонения в верхнем
сечении, тем выше сила окончания второй стадии.
Характер третьей стадии также не претерпевает изменений, по сравнению с базовым моделированием.
Максимального значения технологическая сила на операции достигает на промежуточном этапе третьей стадии, а не при
завершении операции.
168

169. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

а)
б)
в)
г)
а)
б)
в)
г)
Наличие разницы в коэффициенте утонения в верхнем и нижнем сечении во всех случаях приводит к возникновению
опережающего течения металла на выходе из матрицы. Интенсивность опережающего течения зависит не только от
разности коэффициентов утонения, но и от их величины. Интенсивность опережающего течение будет тем выше, чем
меньше значение коэффициента утонения в верхнем сечении, но, при увеличении коэффициента утонения в нижнем
169
сечении интенсивность будет уменьшаться.

170.

Входной диаметр Коэффициент утонения
матрицы, мм
стенки в нижнем сечении
0,4
19
0,5
0,6
0,4
21
0,5
0,6
0,4
23
0,5
0,6
Коэффициент утонения
стенки в верхнем сечении
Максимальная
технологическая сила , кН
Удельная нагрузка на
инструмент , МПа
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
0,25
0,30
0,35
234,5
212,1
122,9
173,8
159,6
152,7
121,5
119,5
118,3
332,9
286,1
261,9
236,4
233,3
214,9
180,5
178,9
162,7
390,3
367,7
336,7
307,9
332,1
270,3
224,3
221,1
214,2
827
748
433
613
563
538
428
421
417
961
826
756
682
673
620
521
516
470
939
885
810
741
780
650
539
532
515
170

171. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

К более существенным изменениям приводит
применение угла меньше 60°, главным образом, на второй и
третьей стадии. Так при моделировании процесса с углом
конусности матрицы 40°, 30° и 20° происходит изменение
диаграммы «P – h».
На второй стадии коническая часть пуансона вступает
в контакт с кромкой заготовки. С этого момента помимо
тянущей силы со стороны нижней ступени пуансона, на
заготовку начинает воздействовать верхняя коническая
ступень пуансона, которая проталкивает заготовку в
приемную часть матрицы. Дальнейшее протекание
процесса сопровождается действием подпора со стороны
конической части заготовки, что в свою очередь разгружает
опасное сечение в зоне сопряжения дна и стенки заготовки.
При этом продолжительность стадии существенно
возрастает.
171

172. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

В начале третьей стадии процесса наблюдается более
интенсивный рост силы. Это связано с уменьшением зазора
между конической частью пуансона и матрицы.
Наблюдается течение металла в прямом и обратном
направлении, дно заготовки движется с опережением торца
пуансона, что свидетельствует о начале процесса
продольного двухстороннего выдавливания.
Прекращение роста силы зафиксировано, когда
начинается вытеснение металла в зазор между верхней
цилиндрической ступенью пуансона и матрицей, что может
свидетельствовать о начале стационарного процесса.
Процесс выдавливания завершается при достижении
равенства толщины стенки заготовки в её конической и
нижней цилиндрической части.
Увеличение угла конусности приводит к росту удельной нагрузки. При увеличении угла конусности рабочего
инструмента наблюдается более интенсивный рост силы на первой и второй стадии процесса. Однако,
продолжительность стадии вытяжки с утонением и вытяжки с подпором заметно сокращается. В свою очередь
172
продолжительность стадии двухстороннего выдавливания возрастает.

173. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

173

174. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

174

175. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

175

176. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

176

177. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

177

178. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

178

179. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

179

180. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

180

181. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Одним из основных ограничений процесса двухстороннего выдавливания является возможность разрушения инструмента
под действием удельных нагрузок (главным образом пуансона). В связи с этим важной частью анализа процесса является
разработка зависимости, которая позволит рассчитывать максимальную технологическую силу процесса, что необходимо
при определении выполнения условий прочности инструмента.
Сталь 18ЮА
Латунь Л70
Биметалл 1
1 – md= 0,45; 2 – 0,55; 3 – 0,59; 4 – 0,61; 5 – 0,7; 6 – 0,75; 7 – 0,8; 8 – 0,84
181

182. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

sф
C1
DМ
P PСТ W k1 1 b amd
С1 0,045
С1 1 d П1 DМ
2 sin 2α
М cosα М
где РСТ = q·F – сила стационарного этапа штамповки;
F – площадь поперечного сечения пуансона;
a и b – коэффициенты пропорциональности (для Латуни Л70
a=1,56; b=1,25);
sф – толщина фланца;
k1 – коэффициент учитывающий влияние формы пуансона
(k1=1,18…1,25 – для заготовок с плоским торцом; k1=1,08…1,10 – для
шестигранных заготовок; k1=1,0 – для четырехгранных заготовок).
W – коэффициент учёта утонения стенки в верхнем и нижнем сечении
W
1
в
ms
н 2
m
s
msв
182

183. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Другим вариантом может служить последовательность расчёта, при которой сначала будут определены компоненты
напряжений, а затем рассчитанные значения будут использованы для определения максимальной технологической силы.
По результатам компьютерного моделирования были определены моменты достижения максимальной
технологической силы при различных соотношениях коэффициентов утонения в верхнем и нижнем сечениях, и
определены диапазоны изменения радиальных σR, тангенциальных σθ и осевых σZ напряжений в ОПД. В общем виде
зависимость будет иметь вид:
n 13.58 6.36 m 23.69 m 0.64 m m 15.87 m 10.42 m
Z n 0.2 8.09 20.37 m SВ 11.69 m SН 6.06 m SВ m SН 51.59 m SВ 0.74 m SН
R
0.2
В
S
Н
S
В
S
Н
S
2
2
В 2
S
Н 2
S
Н
D
d
П 2
2 H2 ( П
)
2
Pmax 0,85 W Z FK R f [ FMK cos( ) FPK cos(
)]
Н
DП d П
где f–коэффициент трения; α – угол конусности; FКМ - площадь боковой поверхности конусной части матрицы;
FКР - площадь боковой поверхности конусной части пуансона; W–коэффициент, учитывающий характер влияния коэффициентов
утонения на объём ОПД, формирующий осевые напряжения и их действие на пуансон; FК – основная площадь пуансона,
воспринимающая действие осевых напряжений.
183

184. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Входной
диаметр
матрицы , мм
Толщина
стенки ,
мм
Коэффициент
утонения
стенки НРС
0,4
25
6
0,6
0,8
Коэффициент
утонения
стенки ВРС
Максимальная
технологическая
сила , кН
Расчетное
значение
силы, кН
Отклонение,
%
0,2
58,3
63,5
9
0,3
48,7
59,2
21
0,35
43,5
57,1
31
0,2
32,1
42
31
0,3
31,5
39
24
0,35
31,8
37
16
0,2
16,5
22,7
37,5
0,3
16,5
21,5
30
0,35
16,6
18,7
12
Осевые
напряжения
184

185. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Анализ результатов моделирования показывает, что применение во всех случаях реализации процесса продольного
двухстороннего выдавливания наиболее нагруженным участком является придонный. При этом разрушение заготовки
наиболее вероятно на первой стадии процесса за счёт реализации вытяжки с утонением. Основной причиной такого
разрушения будет являться большая степень деформации, что было подтверждено экспериментально.
Номер заготовки
Диаметр , мм
Высота , мм
1
9,11
13,23
2
9,14
13,19
3
9,15
13,24
4
9,18
13,23
185

186. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Диаметр
Комплект рабочего
рабочей части
инструмента
пуансона , мм
Калибровка 1-я
Калибровка 2-я
Калибровка 3-я
10,8
12,8
14,8
Высота
рабочей части
пуансона , мм
Диаметр
рабочей части
матрицы , мм
Высота
рабочей части
матрицы , мм
Диаметр
подкладной
притки , мм
Высота
подкладной
притки , мм
33,3
36,1
37,8
10,8
12,8
14,8
28,0
28,0
28,0
39,2
39,2
39,2
10,0
10,0
10,0
186

187. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

187

188. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Входной
Диаметр
Диаметр
Диаметр
Диаметр
Коэффициент
Коэффициент
диаметр
рабочего пояска
основания
основания конуса верхней ступени утонения стенки утонения стенки
матрицы, мм
матрицы, мм
рабочей части
рабочей части
рабочей части
в нижнем
в верхнем
пуансона, мм
пуансона , мм
пуансона , мм
сечении
сечении
188
15,0
11,1
8,7
9,5
13,8
0,393
0,202

189. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Целью проведения эксперимента являлось определение возможности выполнения процессов выдавливания по схеме:
калибровка → продольное выдавливание → продольное двухстороннее выдавливание без проведения
межоперационных отжигов.
В ходе обработки результатов испытания на растяжение цилиндрических образцов материала (сталь 18ЮА) заготовок
получена кривая упрочнения и определены механические свойства исходного материала после проведения отжига.
σ0.2, МПа
σiy, МПа
σip, МПа
σip, МПа
εiy
εip
185,8
528,5
649,0
960,0
0,206
1,182
189

190. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

а – исходная заготовка;
б – после первой калибровки;
в – после второй калибровки;
г – после третьей калибровки
Разрушенная в ходе продольного двухстороннего
без отжига
после отжига
190

191. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Поэтому предварительно условие прочности может быть сформулировано по двум вариантам:
Предельная степень деформации заготовки на операции продольного двухстороннего выдавливания может быть
определена как предельная деформация нижнего сечения на операции вытяжки с утонением, что соответствует 1 стадии
операции. Деформация в среднем и верхнем сечении при этом может быть согласована с условием прочности
инструмента, так как их формирование происходит на 2 и 3 стадиях, когда схема напряжённого состояния соответствует
всестороннему сжатию, а вероятность разрушения заготовки отсутствует.
При возможности обеспечить предварительную осадку стенки заготовки на 1 стадии предельная деформация
заготовки может быть задана по рекомендациям для процесса вытяжки-выдавливания
Зоны допустимой деформации
на операции вытяжка-выдавливание
заготовок из стали 18ЮА (а), латуни
Л70 (б) и Биметалла 1 (в)
191

192. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Расчётные исполнительные размеры рабочего инструмента
на операции продольного двустороннего выдавливания:
• диаметр приёмной, выходной и рабочей части матрицы
dм1,dм2 и dм3;
• угол конусности приёмной части матрицы αм;
• высота приёмной и рабочей части матрицы hм1 и hм2;
• радиус закругления приёмной части матрицы rм;
• радиусы перехода конусного участка в приёмную и
рабочую части матрицы Rм1 и Rм2;
• диаметр основания пуансона Dп;
• диаметр верхней рабочей ступени пуансона dп1;
• диаметр перехода конусной части в нижнюю рабочую
ступень пуансона dп2;
• диаметр основания нижней рабочей ступени пуансона dп3;
• высота верхней и нижней рабочей ступеней пуансона hп1 и
hп2;
• радиусы переходов конического участка пуансона rп1 и rп2;
• радиус основания нижней ступени пуансона rп3.
192

193. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Определяемая величина
Расчётная зависимость
диаметры матрицы:
-приёмный dМ1
d М1 D 0Н 0.2 0.6 мм
-рабочий, dМ2
dМ2= D2
угол конусности приёмной части матрицы αМ
αМ = 40…60°
угол конусности приёмной части матрицы αП
αП ≈ αМ
(с учётом изменения Sср и SН)
высота приёмной части матрицы hМ1
hМ1 = 1.5·h0+rМ
высота рабочей части матрицы hМ2
hМ2 = 0.5· dМ2
Радиусы закругления:
-приёмной части матрицы rМ
rМ = 2…5 мм
-переход приёмной части в конусную RМ1
RМ1 ≥ 0.1· dМ2
-переход конусной части в рабочую часть RМ2
RМ2 ≥ 0.1· dМ2
диаметр основания пуансона DП
DП = DМ-δ
193

194. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Определяемая величина
диаметр верхней рабочей ступени пуансона dП1
Расчётная зависимость
dП1 = d1
диаметр перехода конусной части в нижнюю рабочую
ступень пуансона dП2
dП2 = d2
диаметр основания нижней рабочей ступени пуансона dП3
dП3 = d3
Высота ступеней пуансона:
hП1 1.5 h0
Н
при mS 0.6
-верхней hП1
hП1 h0
Н
при mS 0.6
-нижней hП2
hП2 ≈ h0вн
d 0вн d П 2 S S 0
внутренний диаметр полой заготовки
ΔS = 0.18…0.20 – относительный зазор
между заготовкой и пуансоном
радиусы переходов конического участка пуансона rП1 и rП2
радиус основания нижней ступени пуансона rП3
rП1 = RМ1-S1
rП2 = RМ2+S2
rП3 = r1
194

195. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

По предлагаемым рекомендациям можно построить характерную
схему операции. Основной особенностью в этом случае будет являться
наличие значительного исходного зазора Δ между пуансоном и
заготовкой.
Такой
вариант
реализации
схемы
операции
продольного
двухстороннего
выдавливания следует считать рациональным
для использования всех преимуществ, которые
даёт комбинированное выдавливание.
Анализ изменения формы заготовки и
технологической силы показывает, что на всех
операциях обеспечен постоянный подпор
стенки полой заготовки со стороны конической
части пуансона. Это снижает тянущие
напряжения в осевом направлении и
увеличивает прочность заготовки.
195

196. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Для того чтобы предварительно оценить вероятность разрушения заготовки необходимо знать степень деформации в
опасных сечениях и реализуемую схему напряжённого состояния.
Анализ распределения параметров деформированного состояния показывает, что значительной неравномерности
именно то толщине стенки у полуфабриката не наблюдается. Что, однако, может быть связано с относительно
небольшими величинами коэффициентов утонения в нижнем и среднем сечении.
196

197. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Коэффициент утонения в среднем сечении не оказывает существенного влияния на общий характер распределения
параметров деформированного состояния. По большей части высоты стенки неравномерность параметров деформации не
превышает 40%. Из этого можно сделать вывод, что при последующей термической обработке, например
рекристализационном отжиге, структура материала и его свойства по толщине стенки в разных поперечных сечениях
будут близки к однородным. При этом по высоте стенки от одного сечения к другому будет наблюдаться разница, так как
ближе к верхнему торцу наблюдается общий рост степени деформации.
Для принятых интервалов изменения коэффициентов утонения наибольшая величина интенсивности деформации
формируется ближе к середине высоты стенки. В придонном участке степень деформации больше соответствует вытяжке
с утонением.
Согласно рекомендациям средняя степень деформации в нижнем сечении заготовки на вытяжке-выдавливании может
быть рассчитана по зависимости:
1
ei ln
ms m
d
Где ms – коэффициент утонения стенки;
md – коэффициент уменьшения диаметра.
197

198. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

В результате зависимости для расчёта средней степени деформации заготовки на операции продольного
двухстороннего выдавливания можно записать следующим образом:
-для нижнего сечения
1
eiвыс
ei ln
m
m
d
s
-для среднего сечения
1
eiвыс ei опр.т.
ei ln
m
m
d
s
-для верхнего сечения
1
ei ln
внут
m s md
198

199. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

Где β =1,155 – коэффициент Лоде;
eiв ыс – степень деформации стенки заотовки на этапе высадки;
h0заг
ei опр.т. ln п.ф. – степень деформации заготовки от опережающего течения
h1
металла в прямом направлении;
h0заг – исходная высота стенки заготовки, контактирующая с
нижней ступенью пуансона;
h1п.ф. – выступа нижней ступени стенки полуфабриката;
m
в нут
d
d заг
п.ф. – коэффициент уменьшения диаметра внутренней
d1
поверхности полой заготовки в верхнем сечении.
199

200. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

200

201. 6 Процессы выдавливания 6.7 Продольное двухстороннее выдавливание

201