Материал: Разработка конструкции и технологии изготовления штампового инструмента для изготовления железнодорожной шайбы

2.1.7 Расчет исполнительных размеров рабочих частей штампов

Основными несущими деталями штампа являются верхняя и нижняя плиты, от их прочности и жесткости зависят стойкость деформирующего инструмента, качество и точность размеров штампуемых деталей, износ колонок и втулок.

Для изготовления плит штампов обычно применяют среднеуглеродистые и низкоуглеродистые стали или чугуны. Рекомендуемые материалы приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Материалы для изготовления плит штампов

Из конструктивных соображений принимаем размеры нижней плиты 360x780 мм, а толщину, равную 60мм.

Верхняя плита штампа опирается всей поверхностью на плоскость ползуна пресса, она не испытывает изгибающих нагрузок, поэтому толщину верхней плиты можно принять в пределах 0,6: 0,8 от толщины нижней плиты.

Принимаем толщину верхней плиты равную 50мм.

Диаметр направляющих колонок рассчитывается по формуле:

dнп=0.5,мм                                                                           (2.14)

где Fпл - площадь опорной поверхности нижней плиты, см2;

Р - усилие, кН.

dнп = 0,5= 42,56, мм.

После этого диаметр направляющей колонки округляется до большего стандартного значения согласно ГОСТ131120-83 для гладких и ГОСТ 13121-83

Рисунок 2.4 Хвостовик штампа с фланцем по ГОСТ 16719-71

Одной из операций изготовления скобы является пробивка отверстия

Ø25 +1 мм, для которой необходимо произвести расчет исполнительных размеров пуансона и матрицы.

Исполнительные размеры рассчитываем с учетом оставления максимального припуска па износ матрицы и пуансона. Схема условного расположения допусков и припусков при пробивке отверстия показана на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 -Схема назначения исполнительных размеров матрицы к пуансона дм операции - пробивки отверстия

Так как износ матрицы приводит к увеличению размеров детали, а износ пуансона к уменьшению размеров детали* размеры матрицы выдерживают минимально допустимыми, и размеры пуансона - максимальные. В нашем случая номинальный диаметр пуансона должен быть равен наибольшему предельному размеру отверстия.

Прелельные размеры пуансона и матрицы будут:м =(d+Δ+Z)+δм , мм                                                                         (2.15)

dП=(d+Δ)-δп , мм                                                                                    (2.16)

d -номинальный размер пробиваемого отверстия;

Δ - припуск на износ;

z - зазор между матрицей и пуансоном;

δп и δм -допуски на изготовление пуансона и матрицы.

В нашем случае необходимо пробить отверстие Ø25+1 мм в полосе толщиной s = 8 мм из стали марки Ст.3.

Двусторонний зазор между матрицей и пуансоном z= 0,8 мм взят из таблицы 18 ([7]стр. 79).

Припуск на износа Δ= 0,7 мм при допуске на отверстие +1,0 мм, таблица 21 ([7]стр. 82).

Значение припусков на изготовление δп = - 0,045 мм и δм = +0,045 мм, таблица 22 ([7]стр. 83).

Определим диаметр матрицы:

dM = (25 + 0,7 + 0.8)+0,045 = 26,5+0,045 , мм.

Определим диаметр пуансона:

Dп = (25 + 0,7)-0,045= 25,7-0,045 , мм.

Исполнительные размеры на изготовление матрицы и пуансона показаны на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема расчета исполнительных размеров рабочих чистой штампа матрицы и пуансона для операции - пробивка отверстия

Матрица используется сплошная, прямоугольной формы, так как кроме пробивки отверстия, по одной из граней матрицы производится обрезка заготовки по длине. Крепление матрицы к плите штампа осуществляется винтами и штифтами.

Пуансон изготавливается в соответствующими ГОСТ 16625-80 "Пуансоны круглые диаметром от 24 до 52 мм.

Крепление пуансона к плите штампа осуществляем в пуансонодержателе, при помощи винтов и штифтов, рисунок 2.7.

Рисунок 2.7 - Крепление пуансона винтами и штифтами в пуансонодержателе

Пуансон, устанавливаемы в пуансонодержатель, состоит из трех частей: рабочей части, которая участвует в формоизменении детали; посадочной части; усиленного основания.

Усиленное основание делается на относительно длинных пуансонах для того, чтобы повысить их устойчивость, для упрощения сборки с пуансонодер- жателем, а также, чтобы избежать большого перепада диаметров ступеней (d1/d, d2/d1 ,d0/d2 ).При перепаде диаметров более двух возможно образование трещин при термообработке. Все переходы между рабочей частью и основанием, между посадочной частью и основанием выполняются плавными, по радиусу, чтобы избежать дефектов при термообработке и повысить стойкость инструмента.

.1.8 Расчет на прочность рабочих частей штампов

Расчет пуансона на прочность и устойчивость.

Пуансоны при работе подвергаются действию нагрузок разного характера, взаимодействуют с плитой штампа, поэтому пуансоны рассчитывают: на смятие плиты штампа; сжатие; изгиб со сжатием; устойчивость; устойчивость со сжатием [8]. Расчетная схема представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Расчетная схема для расчета пуансона на прочность

Проверка опорной поверхности плиты штампа на смятие:

σсм=F/A0≤[σсм]                                                                             (2.17)

где F - технологическое усилие;

А0 - площадь опорной поверхности буртика пуансона, равна 0,25πd0;

[δсм] - допускаемые напряжения смятия для плиты штампа, которые равны для стали 100 МПа, для чугуна 50 МПа.

A0= 0,251∙3,14∙38 = 1133,54, мм2.

Δсм= 346596/1133,54=305,7≤100, МПа,

Так как условие прочности не выполняется, тогда пуансон опираем на закаленную стальную плиту.

Расчет пуансона на сжатие:

σсж=F/Amin≤[σсж]                                                                        (2.18)

где Amin- площадь минимального сечения пуансона, равна 0,25πd2;

Amin = 0,25π252= 490 мм2;

[σсж] - допускаемые напряжения сжатия для материала пуансона, которые для углеродистой инструментальной стали типа У8А, У10А равны 1600 МПа, для легированной инструментальной стали типа Х12М, ШХ15 - 1900 МПа.

σ = 346596/490 = 707 МПа ≤ [σсж]

Расчетом на сжатие ограничиваются лишь для относительно короткого пуансона при использовании его в правильно спроектированном, изготовленном и собранном штампе.

Расчет пуансона на изгиб и сжатие.

Причиной возникновения изгибающих напряжений является смещение оси пуансона относительно оси матрицы на величину е, возникающее из-за погрешностей изготовления, что ведет к внецентренному нагружению. Напряжения изгиба обычно определяются вблизи посадочной поверхности - это «опасное» сечение. У ступенчатого пуансона «опасных» сечений может быть несколько. Для представленной расчетной схемы суммарные напряжения сжатия и изгиба равны:

σсж+σсж = F/A + M/W≤ [σсж],                                                      (2.19)

где W - момент сопротивления пуансона в опасном сечении, для круглого сечения W = πd3/32;

e= 0,4 мм - величина смещения оси пуансона, для вырубки-пробивки

равна одностороннему зазору между инструментами;

М= F∙e - изгибающий момент;

А - площадь поперечного сечения пуансона в опасном сечении.

W=π∙253/32=1533,98.

M=346596∙0,4=138638, Н.

σсж+σи = 346596/490 + 138638 /1533,98 = 707 + 90,37 = 797,7 Мпа, [σсж],

Расчет пуансонов на устойчивость и сжатие.

Проводится для относительно тонких и длинных пуансонов с d/h < 0,5.

Предельно допустимое усилие при этом определится по формуле:

[F] = ϕAк [σсж],                                                                             (2.20)

где ϕ - коэффициент понижения допустимого напряжения, который определяется по данным таблицы 8 в зависимости от условной гибкости рабочего участка пуансона:

λ=μh/imin ,                                                                                     (2.21)

где μ≈0,7 - коэффициент приведенной длины, характеризующий способ заделки;

imin -минимальный радиус инерции пуансона, для круглого сечения равен

imin=0.25d=0.25∙25=6.25 мм;

Ак - площадь контакта рабочего торца пуансона с деталью.

При вырубке-пробивке относительно маленьких отверстий с s/d> 1,0 можно считать, что пуансон контактирует с деталью всей торцевой поверхностью Ак = 0,25πd2.

Аk= 0,25π25,72 = 518,48 мм2.

λ = 0,7-78 /6,25 =8,736.

Для λ=8:12 коэффициент понижения допускаемого напряжения

ϕ= 0,75,

[σсж] - для легированной инструментальной стали типа Х12М, ШХ15 - 1900 МПа.

Предельно допустимое усилие при этом будет равно:

[F] = 0,75∙518,48 ∙1900 = 738834 кгс/мм2.

Проведенные расчеты показали, что прочностные характеристики пуансона соответствуют требованиям для выполняемой операции, а возможное предельно допустимое усилие на пуансоне значительно превышает усилие, создаваемое им при работе.

2.1.9 Выбор материалов деталей штампов

Для изготовления деталей технологического (кроме рабочих элементов), конструктивного, кинематического и вспомогательного назначений используют в основном углеродистые обыкновенного качества, углеродистые конструкционные, а также легированные конструкционные стали.

Рекомендации по выбору материалов для изготовления рабочих элементов в зависимости от условий их эксплуатации приведены в таблице 2.3

Таблица 2.3 - Материалы и нормы твердости рабочих элементов штампов

В таблице 2.4 приведены рекомендации по выбору материалов для изготовления деталей штампов (кроме рабочих элементов),

Таблица 2.4 - Материалы и нормы твердости деталей различного назначения

Допускается замена указанных материалов на другие с равноценными механическими свойствами, а также снижение твердости термически обработанных деталей штампов до 15 % на расстоянии не более 10 мм от рабочих поверхностей (кромок).