Утяжка металла при гибке

Гибка является одной из наиболее распространенных формоизменяющих операций холодной штамповки, которая широко используется для получения разнообразных деталей из листового материала, профильного проката, труб и. проволоки.

Удельный вес гибочных работ непрерывно увеличивается за счет новых принципов конструирования и технологии изготовления машин и приборов. Литые и кованые заготовки вытесняются штампосварными, изготовляемыми из гнутых элементов; профильный прокат из легких профилей заменяется заготовками, полученными посредством гибки из полосы или ленты; вырезка колец большого диаметра из листового материала заменяется гибкой полос на ребро и т. п.

В зависимости от размеров и формы детали, профиля исходной заготовки и характера производства гибка осуществляется в штампах, на кривошипных, эксцентриковых, фрикционных и гидравлических прессах; на специальных ручных или механизированных устройствах и на специальных гибочных и профилировочных станках. Гибку на малые радиусы деталей мелких и средних размеров осуществляют, как правило, в штампах.Операция гибки характеризуется относительным поворотом части заготовки вокруг некоторой линии, называемой линией гиба» Гибкой без нагрева заготовок изготовляют из листового материала детали (заготовки) различных габаритных размеров толщиной 0,01—100 мм, имеющие в продольном и в поперечном сечениях разнообразные профили.

Для обеспечения достаточной точности высота Н прямой части отгибаемых стенок (полок) детали (рис. 62, а) должна быть больше двойной толщины полок, т. е.Н— г >= 2S (при условии, что S < 5 мм).

Если это условие не выполнено, т. е. деталь имеет меньшую высоту полок Н, необходимо в заготовке, поступающей на гибку, предварительно выдавливать канавки (рис. 62, б) шириной b >= S и глубиной h = (0,1—0,3) S или изготовлять деталь с удлиненными полками (Н > 2S) и фрезеровать их после гибки, что удлиняет технологический процесс и удорожает стоимость изготовления.

.Если деталь имеет П-образную форму и боковые стороны скошены до зоны деформации (рис. 62, в), обеспечить качественную гибку невозможно. На концах скошенных полок в месте изгиба получается смятие заготовки, изгиб ее неполный. Такие детали следует конструировать так, как показано на рисунке условно тонкой линией.

Для точного фиксирования заготовок в штампах и предотвращения их сдвига в момент гибки желательно предусматривать в деталях технологические отверстия.

Весьма важным параметром, определяющим содержание и продолжительность технологического процесса изготовления детали и конструкцию гибочных штампов, является внутренний радиус гибки на детали (см. рис. 62, а).

Максимально допустимый радиус гибки, при котором гибка сохраняется, определяется из выражения

Минимальный радиус гибки г устанавливается по предельно допустимым деформациям крайних волокон. При переходе за них материал детали переходит в область разрушения, что выражается в появлении трещин на наружной поверхности детали.

Минимальный радиус гибки зависит от механических свойств материала детали, угла гибки, обуславливающего напряжение растяжения внешних волокон материала, направления линии гибки относительно направления прокатки, состояния кромок изгибаемой заготовки (имеются ли по кромке заготовки заусенцы или нет и их расположение при гибе).

Влияние каждого из приведенных факторов следующее:

а) радиус гибки тем больше, чем меньше удлинение металла;

б) с уменьшением угла гибки, особенно у металлов с малым относительным удлинением, величина радиуса г должна быть увеличина;

в) наименьшее значение при всех прочих равных условиях радиус гнбки г имеет в случае, когда линия гибки расположена поперек направления прокатки; при расположении линии гибки под углом 45° или по направлению прокатки радиус гибки должен быть увеличен;

г) наличие заусенцев на кромке вырезанной или отрезанной заготовки при условии, что гибка производится с расположением заусенцев наружу, т. е. в сторону матрицы, требует значительного увеличения радиуса r.

Значения минимально допустимых радиусов гибки r для зачищенных от заусенцев заготовок (или не зачищенных), но с заусенцами, обращенными в сторону гибочного пуансона в долях толщины S изгибаемой заготовки, приведены в табл. 18 или могут быть рассчитаны по формуле

где δ — относительное удлинение (в относительных единицах).

В тех случаях, когда радиус г меньше значений, приведенных в табл. 18, необходимо в зоне гибки выдавливать канавки (см. рис. 62, б) после предварительной гибки или чеканить (высаживать) угол.

Приведенные минимальные радиусы гибки относились к радиусам, оформляемым пуансоном. Если деталь имеет форму скобы с горизонтальными полками (рис. 62, г) и получается в одном штампе, то радиус r_м, обращенный в сторону матрицы, должен быть больше 3S.

Если r_м< 3S, то в процессе гибки на боковых полках детали возможны вмятины и задиры, что особенно опасно для металлов, имеющих плакирующий покров. При необходимости малого радиуса на детали процесс гибки следует производить за две операции: гибка в матрице с r_м> 3S и посадка до заданного радиуса.

Радиусы закругления у скоб должны быть равными, если это условие нарушено, получить деталь с одинаковой высотой полок трудно.

В случае отгибки язычков у деталей толщиной свыше 1,5—2 мм необходимо предусматривать местные вырезы для предупреждения разрывов и трещин (рис. 62, д) ширина выреза b = S, глубина R>r. При гибке узких полос шириной В < 25S имеет место выпучивание в зоне гиба. Если такое выпучивание недопустимо, необходимо предусмотреть специальные вырезы типа показанных на рис. 62, д.

Если необходимо осуществить гибку плоской детали (полосы) на ребро, то радиус гибки должен быть больше четырех ширин детали (полосы) при гибке в штампах и трех ширин при гибке на роликовых машинах.

Чтобы избежать значительного изменения размеров детали в результате пружинения, надо на детали выдавливать одно или несколько ребер жесткости поперек линии гиба (рис. 63, а) или образовывать на детали борта (рис. 63, б). Необходимо отметить, что пружинение может быть уменьшено и за счет применения для изготовления детали материала с малым пределом текучести, но с наибольшим модулем упругости,

Весьма важным при конструировании деталей, получаемых гибкой, является возможность придать форму с возможно малым числом перегибов, так как каждый перегиб не только удорожает деталь, но и является дополнительным источником погрешностей.

При наличии нескольких линий гиба желательно, чтобы их длины резко не отличались между собой. При гибке деталей типа показанных на рис. 64, а деталь будет стягивать в сторону участка с более длинной линией гиба.

В деталях с полкой, имеющей разную высоту (рис. 64, б), участок полки, изгибаемый неодновременно с остальной частью, получится уродливо искривленным.

Минимально допустимые радиусы гибки труб зависят от механических свойств металла, от величины допустимого утонения стенок, от угла изгиба, а также от допустимой величины волн на вогнутой стороне и допустимой овальности.

Минимальный радиус гибки должен быть больше 4—5 диаметров трубы, при меньшем радиусе происходит заметная овализация круглого профиля трубы, при этом у тонкостенных труб может наблюдаться образование складок на внутренней стенке.При гибке тонкостенных профилей на специальных профилегибочных станках минимальный радиус для симметричных профилей г = (8 — 10) h, а для несимметричных профилей г =  (20 — 25) h (высота профиля).

Гибка листового материала представляет собой процесс упругопластической деформации, протекающей различно с обеих сторон изгибаемой заготовки. Технологический процесс гибки осуществляется преимущественно посредством поперечного пластического изгиба.

Наблюдения за процессом гибки (рис. 65, а, б) показывают, что слои металла, расположенные ближе к внутренней поверхности аа (с меньшим радиусом кривизны), испытывают сжатие, а слои, расположенные у внешней поверхности bb (с большим радиусом кривизны), — растяжение.

В результате гибки заготовок, имеющих незначительную ширину В относительно толщины S, сечение их искажается, происходит некоторое увеличение ширины В, заготовки вблизи внутренней

поверхности загибаемого угла, некоторое уменьшение ширины В₂ вблизи наружной поверхности и образование поперечной кривизны с радиусом R_n. Кроме того, происходит некоторое уменьшение толщины S. Иначе говоря, вместо прямоугольника в сечении получается искривленная трапеция. Это необходимо учитывать при разработке технологического процесса, особенно деталей с малой шириной, большой толщиной и малыми радиусами гибки. Если выпучивание сторон недопустимо, необходимо предусматривать механическую обработку для удаления получившегося в результате гибки выпучивания (строгание, фрезерование или зачистку на шлифовальном камне) или предварительную (до гибки) вырезку канавок.

При гибке широких полос имеет место только уменьшение толщины (утонение), искажения же поперечного сечения ничтожны, так как деформациям в поперечном направлении противодействует сопротивление материала большой ширины.

Механические свойства материала в зоне гибки изменяются, материал наклепывается, однако этот наклеп неравномерен. Чем дальше слои расположены от нейтрального слоя, тем сильнее наклеп. Поэтому в зоне гибки после отжига образуется неравномерная структура с участками крупного зерна.

Между растянутыми и сжатыми волокнами (слоями) металла находится нейтральный слой оо (рис. 65, а), который, претерпевая изгиб, не изменяет первоначальной длины. Следовательно, длина нейтрального слоя равна первоначальной длине заготовки. Нейтральный слой не проходит по середине сечения изгибаемой заготовки, а в зависимости от величины отношения r/S смещается в сторону малого радиуса.  Радиус кривизны нейтрального слоя при изгибе широких прямоугольных заготовок может быть ориентировочно определен по формуле

Изменение ширины заготовки учитывается коэффициентом уширения

Следовательно, при B/S>=3  уширения изгибаемой заготовки вообще не происходит.

Изменение толщины заготовки определяется коэффициентом

утонения α, который равен S₁/s (S₁ — толщина изогнутой заготовки

в зоне изгиба в мм). Утонение тем больше, чем меньше отношение г/S

Гибка на 180° производится обычно обжатием предварительно изогнутых заготовок. При гибке на 180° с радиусами г < S или вплоть до соприкосновения сторон материал в зоне изгиба сильно сплющивается. При этом, как установлено, в средней части зоны изгиба происходит не утонение, а утолщение материала.

Значения х для определения радиуса нейтрального слоя  относятся к гибке прямоугольных заготовок плашмя

(B/S>=1) Гибка на ребро еще мало исследована. Однако для гибки на ребро для ориентировочных подсчетов можно принимать г = (3-4) В.

Радиус нейтрального слоя при гибке деталей из проволоки диаметром 3 мм и более определяется по той же формуле, что и при гибке прямоугольных; при этом считают, что нейтральная линия проходит на расстоянии

от внутренней линии гиба (d — диаметр проволоки в мм).

При гибке деталей с малыми радиусами сечение в зоне гибки получается овальным.

Сказанное относилось к определению положения нейтрального слоя деформации, от этого слоя следует отличать нейтральный слой напряжений, в котором происходит перемена знака напряжений (сжатие — растяжение). Положение нейтрального слоя напряжений может быть рассчитано по формуле И. П. Ренне

Нейтральные слои напряжения и деформации не совпадают. Процесс гибки, как и любое пластическое деформирование, сопровождается упругими деформациями, величина которых пропорциональна напряжениям. При разгрузке (снятии внешних сил) пластически деформированное тело восстанавливает объем и частично форму. Это явление получило условное название пружинения. Пружинение приводит к необходимости корректирования рабочих частей штампа, а если к этому не прибегать, к ручной доводке изгибаемых деталей. Для оценки величины пружинения при гибке по сравнительно небольшим радиусам введено понятие угла пружинения, который представляет собой разность между величинами угла детали (после гибки) и угла пуансона гибочного штампа. Искажением радиуса гибки пренебрегают. При гибке же по большому радиусу изменяется не только угол детали, но и радиус ее кривизны. Следовательно, чем меньше радиус гибки при всех прочих равных условиях, тем меньше пружинение.

Величина пружинения при гибке зависит от ряда факторов, основными из которых являются механические свойства и толщина материала детали, радиус гибки, форма детали, тип штампа, способ гибки и др. Чем выше предел текучести изгибаемого металла,

модуль упрочнения металла, чем больше отношение r/S и меньше

толщина S, тем больше пружинение при прочих равных условиях. Существенное влияние на величину пружинения оказывает однородность механических свойств материала. Многообразие форм деталей и факторов, оказывающих влияние на величину пружинения, исключает возможность создания расчетных формул для всех случаев гибки. Пружинение обычно определяют на основе опытных данных с последующей доработкой размеров рабочих частей штампа.

В табл. 19 приведены полученные Б. В. Рябининым  формулы для расчета углов пружинения для мягкой стали при V-образной гибке стальных деталей, а в табл. 20 — значения углов пружинения при гибке деталей из стали, цветных металлов, легированных сталей и титановых сплавов.

В таблицах и графиках приведены опытные данные по углам пружинения при свободной одноугловой гибке. При гибке в упор (с подчеканкой) угол пружинения при всех прочих равных условиях меньше, поэтому приведенными в табл. 19, 20 данными пользоваться нельзя. В указанном случае угол пружинения может быть установлен при испытании штампа. Необходимо указать, что чем больше отношение усилия подчеканки к усилию собственно гибки, тем меньше угол пружинения.

При гибке деталей со значениями r/S>5— 8 для расчета пружинения можно воспользоваться диаграммой’ на рис. 66 . Диаграммой пользуются следующим образом.

По известным маркам материала детали и отношению r/S  находим на оси ординат отношение α_B/α₀ . Разделив величину на это отношение, находим величину угла α_B пуансона с учетом распружинивания.

Радиус r _п  на пуансоне, изготовляемый с тем, чтобы получить на детали требуемый угол распружинивания, рассчитывается по формуле