Глава 8: Конструкция изделия и этапы формообразования
На производстве холодной высадки часто встречается следующая ситуация:
При использовании одного и того же марочного сортамента и одних и тех же размеров при изготовлении обычных болтов всё проходит гладко; однако стоит перейти к изделиям с крупной головкой, тонким фланцем, глубокими отверстиями или несколькими уступами — сразу начинают появляться недозаполнение, складки, эксцентриситет и даже трещины.
В таких случаях у многих первая мысль: «Может, эта партия материала не годится?»
На самом деле материал-то остался прежним, изменились лишь требования к тому, как он должен «распределяться» в процессе производства.
Холодная высадка — это не просто укорачивание заготовки; здесь ограниченный объём материала перераспределяется согласно конфигурации изделия.
В данной главе мы пока не будем подробно рассматривать материалы, покрытия и оборудование, а сосредоточимся на том, как конструкция изделия и последовательность операций формообразования влияют на движение материала.
Схема многооперационной технологической линии: каждая операция выполняет лишь часть общего перемещения материала.
1. Куда девается материал при холодной высадке?
В процессе холодной высадки материал ниоткуда не берётся и никуда не исчезает — он лишь переходит из одной зоны в другую.
Излишек металла в головке поступает из той части заготовки, которая раньше находилась со стороны стержня; увеличение диаметра фланца означает, что материал перемещается от центра к периферии; если изделию требуется внутреннее отверстие, материал обтекает пуансон и перераспределяется вокруг него.
Процесс холодной высадки можно представить как продуманную «дорожную карту» для материала:
Какая часть будет двигаться вперёд;
какая — расходиться к периферии;
в какой точке деформация начнётся раньше;
в какой — позже;
выполним ли мы всё за один проход или придётся распределить операции между несколькими станциями.
Чем более прямой и плавный маршрут, тем равномернее формируется материал; чем длиннее путь и круче повороты, тем выше вероятность возникновения локальных дефектов.
2. Какие конструктивные особенности особенно сложны для обеспечения равномерного движения материала?
1. Большая головка и тонкий стержень
Чем больше объём головки, тем больше материала необходимо перераспределить из области стержня.
Если за один проход направить в головку слишком большой объём металла, центральная область может оказаться уже переполненной, тогда как внешняя периферия ещё не успеет равномерно развернуться; в результате возможны недозаполнение, местные складки или трещины по краям.
2. Большой диаметр фланца при минимальной толщине
Тонкий фланец, казалось бы, требует мало материала, но на практике его сложно качественно сформовать.
Материалу приходится перемещаться на значительное расстояние к периферии, одновременно сохраняя равномерную толщину фланца. Движение в центральной зоне и на внешней периферии происходит несинхронно, поэтому крайние участки обычно оказываются наиболее уязвимыми.
Поэтому при проектировании изделий с широким фланцем важно обращать внимание не только на его окончательный диаметр, но и на то, как предварительно шаг за шагом доставляется материал к внешнему контуру.
3. Резкие изменения диаметров и слишком крутые переходы
Когда изделие резко переходит от большого диаметра к малому, либо между смежными участками отсутствует плавный переход, материал словно сталкивается с острым поворотом.
Часть потока оказывается преграждена, другая продолжает движение вперёд, и в месте такого перепада могут образовываться наплывы, складки или неравномерная деформация.
4. Глубокие, узкие отверстия или тонкостенные конструкции
При выдавливании внутреннего отверстия материал не исчезает, а отжимается пуансоном к окружающим стенкам.
Чем глубже отверстие и чем тоньше его стенки, тем выше требования к распределению материала. Если предыдущая операция не подготовила условия, а последующее формование осуществляется с чрезмерным усилием, легко возникают неравномерная толщина стенок, смещение отверстия или локальные разрушения.
III. Почему нельзя всё выполнить за один технологический шаг?
Простые изделия можно формовать за один проход, потому что материал перемещается на небольшое расстояние, а направление его движения достаточно однозначно.
Если сложные детали также пытаться изготовить «за один проход», это будет похоже на попытку пропустить множество автомобилей одновременно через очень узкий перекрёсток: хотя пункт назначения ясен, в середине просто недостаточно места для организации разумного разделения потоков.
Суть многооперационной холодной высадки заключается в том, чтобы разбить слишком крупное изменение формы на несколько последовательных этапов:
на предварительных операциях подготавливается подходящая форма заготовки;
на промежуточных операциях материал направляется туда, где это необходимо;
на последующих операциях доводятся размеры, контур и мелкие детали.
Например, при производстве крупного фланцевого изделия сначала формируется более толстая и меньшая по размерам предварительная головка, затем она постепенно раскрывается наружу, и лишь в завершение достигаются окончательные габариты фланца.
Такой подход не сводится к простому увеличению числа операций, а позволяет каждой операции выполнять только одну основную задачу.
Многооперационный станок холодной высадки в работе: изделие поэтапно формируется на различных операциях.
IV. Чем больше операций — тем лучше?
Не обязательно.
При необоснованном распределении операций материал может стремиться выйти наружу на одной стадии, а уже на следующей вынужден сжиматься внутрь; только что сформированные участки снова подвергаются значительным деформациям, что лишь усиливает локализацию деформации.
Чтобы оценить целесообразность распределения операций, следует обратить внимание на три момента:
Куда преимущественно перемещается материал на каждом этапе?
Сохраняется ли непрерывность направления движения между соседними операциями?
Не происходит ли так, что одна из операций внезапно берёт на себя большую часть изменения формы?
Хороший технологический маршрут должен постепенно приближать материал к конечной форме, а не заставлять его многократно менять направление.
V. Почему один и тот же материал по-разному ведёт себя при изготовлении разных изделий?
Сам материал определяет лишь степень своей деформируемости, тогда как способ её использования задаётся конструкцией изделия.
Для обычного болта требуется относительно мягкая деформация, и материал остаётся с большим запасом прочности; однако при переходе к изделиям со шляпкой увеличенного размера, тонким фланцем, глубокими отверстиями или сложными ступенчатыми переходами тот же самый материал уже может оказаться на пределе своих возможностей в рамках существующей технологии.
Поэтому:
нормальное производство простых изделий ещё не гарантирует нормального изготовления сложных деталей;
появление дефектов при производстве сложных изделий также не даёт оснований сразу считать материал некачественным;
материал, конструкцию изделия и технологический маршрут необходимо рассматривать совместно.
VI. Как следует проводить диагностику на производстве?
Не стоит сосредотачиваться только на треснувшем готовом изделии на последнем станке.
Более эффективный подход — последовательно выложить образцы с каждого технологического этапа и сравнительно проанализировать:
— На каком этапе впервые возникает отклонение;
— На какой стадии диаметр или высота изделия изменяются наиболее заметно;
— Не происходит ли резкого накопления материала в определённом месте;
— Формируются ли постепенно фланец, головка или стенки отверстия;
— Если скорректировать форму предварительной заготовки, изменится ли место дефекта.
Если неравномерность протекания процесса уже проявилась на первых этапах, то на последнем штампе проблема обычно лишь усиливается и становится очевидной.
В таких случаях простая замена материала или многократная доводка последнего штампа зачастую не решают задачу; прежде всего необходимо проверить, достаточно ли рационально распределено сырьё на предыдущих операциях.
Точка зрения инженера
Чертеж изделия показывает, каким оно должно получиться в конечном счёте, а образцы каждой операции демонстрируют, как материал продвигается к этому результату.
Материальные возможности — это базис; конструкция изделия задаёт конечную цель, а формообразующие операции определяют, по какому пути материал достигнет этой цели.
В восьмой главе достаточно запомнить одну фразу:
Хорошо ли материал поддаётся высадке, зависит не только от его свойств, но и от того, куда и в скольких этапах ему предстоит течь по изделию.
Группа Creation Group при оценке пригодности холодновысадочного материала учитывает не только марку, типоразмер и результаты испытаний, но также чертеж изделия, диаметр исходной заготовки, количество рабочих позиций и образцы всех технологических операций.
Если и у вас встречается ситуация: «Один и тот же материал хорошо работает для обычных деталей, но при другой конструкции возникают проблемы», пришлите мне чертеж изделия, характеристики материала, образцы технологических операций и места дефектов. Я помогу вам определить, вызвано ли это недостаточной способностью материала или тем, что деформация сосредоточилась на неподходящих позициях.
Анонс следующего выпуска
Глава 9: «Почему при одинаковых материале и пресс-форме результаты отличаются при использовании другой установки?»
В следующей главе мы подробно рассмотрим влияние жёсткости оборудования, соосности, системы смазки и теплового баланса в условиях непрерывного производства на фактический технологический диапазон.