Производство источников света - Обработка металлов давлением

ГЛАВА ВТОРАЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
2.1. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Большая часть металлических деталей источников света изготавливается из листовых материалов путем обработки давлением, которая включает большое число высокопроизводительных методов получения заготовок и готовых деталей, в том числе отрезку, пробивку и вырубку, вытяжку и глубокую штамповку, гибку и холодное выдавливание.
Материалы поставляются в виде лент, полос и листов в твердом или отожженном состоянии. Для снижения усилий при обработке давлением и более полного использования пластических свойств (особенно труднообрабатываемых материалов — твердых металлов с высоким пределом текучести, т. е. молибдена, ковара, некоторых сортов сталей) используется отжиг перед всеми операциями, включая резку.

Таблица 2.1. Режимы предварительного и межоперационного отжига металлов при обработке давлением

При отжиге волокнистая структура металла, возникшая во время прокатки, преобразуется в мелкокристаллическую и за счет этого увеличивается пластичность с одновременным снижением прочности. При дальнейшей обработке давлением кристаллы разрушаются, структура вновь становится волокнистой, материал упрочняется и теряет пластичность. Поэтому кроме предварительного отжига применяется и межоперационный отжиг в водороде (за исключением тантала, который отжигают в вакууме). Режимы отжига некоторых металлов приведены в табл. 2.1. Температура отжига должна выдерживаться с точностью ±25 °C.
Вольфрам, кристаллическая решетка которого прочнее слоев на границе зерен, при отжиге не приобретает пластических свойств и вытяжка катаного вольфрама невозможна, а гибка применима только для тонкого материала при больших радиусах гиба.
Молибден после отжига приобретает хорошую пластичность, но при росте зерен свыше 30 мкм материал становится хрупким и при его обработке возникают трещины.

Поэтому термообработку молибдена ведут при сравнительно низких температурах и используют вытяжку только малых толщин (до 0,3 мм). Более толстый материал обрабатывают в нагретом до 650 К состоянии.
Тантал при отжиге приобретает хорошие пластические свойства, но при последующей обработке давлением растягиваемые участки значительно упрочняются, что может послужить причиной возникновения трещин при глубокой вытяжке.

Рис. 2.1. Ножницы со скошенными лезвиями: 1 — прижим; 2 — верхнее лезвие; 3 — нижнее лезвие
Титан и цирконий отжигают, как и тантал, в вакууме, после чего их обработка давлением не вызывает трудностей.
Пластичные металлы — никель, медь и медные сплавы, железо и малоуглеродистые стали — легко обрабатываются давлением, однако при большой степени деформации могут возникнуть напряжения, превышающие предел прочности, что приведет к разрыву заготовки. В таких случаях обязательно применение межоперационного отжига.
На качество обработки материалов оказывают большое влияние смазки, снижающие трение и облегчающие штамповку. Выбор смазок зависит от свойств и толщины штампуемых материалов. Для листовой штамповки применяют спирто-бензиновые смеси, минеральные масла, эмульсионные и мыльные составы. При объемной штамповке используются масла растительного и животного происхождения.
Точность деталей, полученных обработкой давлением, соответствует 6—9-му квалитету, шероховатость поверхности — 0,63—2,5 мкм.
Отрезка заготовок — это операция отделения части прокатанного материала по незамкнутому контуру. Отрезку применяют при разделении листа или ленты на полосы заданной ширины. Отрезка производится на гильотиновых или роликовых ножницах. Ножницы с параллельными или скошенными лезвиями (рис. 2.1) применяют при разделке листов. Применение скошенных лезвий снижает усилие резания, но увеличивает ход подвижного ножа. Угол скоса не должен быть слишком большим, иначе заготовка будет выталкиваться из-под ножей; обычное значение угла скоса 4—10°.

Усилие, необходимое для отрезки на ножницах, определяется произведением площади сечения разрезаемого материала и сопротивления срезу, значения которого принимается на 10—20% меньше предела прочности разрезаемого материала. Это расчетное усилие увеличивают на 25% для компенсации затупления ножей и т. и. Для ножниц с параллельными лезвиями площадь сечения равна произведению ширины и толщины листа, а для ножниц с лезвиями, скошенными под углом α — площади параллелограмма с высотой, равной толщине листа. Усилие отрезки рассчитывается по формуле

(2.1)
где Р — усилие отрезки, Н; s — толщина материала, мм; В — длина линии отреза, мм, для скошенных линий, В=s ctg α; τср — сопротивление срезу, МПа, принимается равным 0,8—0,9 предела прочности материала.
Диаметр дисковых ножей для отрезки листового материала принимается равным

Для нарезки полос из широкой ленты применяются роликовые ножницы, конструкция которых приведена на рис. 2.2. Разрезаемая полоса металла проходит между параллельными валами 1 и 2, на которых установлены ролики 3, разделенные прокладками 4, имеющими точно такую же ширину, что и ножи. Для обеспечения этого условия все ролики и прокладки шлифуются по торцам совместно. На прокладки надеты резиновые кольца 5, служащие для выталкивания разрезанной ленты из промежутка между роликами.
Разрезанная лента наматывается на секционную катушку, приводимую через фрикционную муфту со скоростью, несколько превышающей окружную скорость роликов, чтобы обеспечить намотку с натягом на начальный диаметр катушки. По мере намотки окружная скорость растет из-за увеличения диаметра катушки, на которую наматывается лента, и фрикционная муфта проскальзывает все больше. Точность разрезки полос по ширине составляет 0,02 мм, толщина разрезаемого материала — 0,05—5 мм. Ширина разрезаемой полосы может достигать 800 мм при скорости разрезки до 20 м/мин.

Вырубка и пробивка — это операции отделения части прокатанного материала по замкнутому контуру. При вырубке отделенная часть является деталью, а при пробивке изготавливается отверстие в детали. 

Чаще всего вырубаются круглые детали, однако встречаются и сложные контуры. Вырубка осуществляется пуансоном и матрицей, поперечное сечение которых совпадает с конфигурацией вырубаемых деталей. Рабочие кромки пуансона и матрицы должны быть острыми, зазор (на сторону) между пуансоном и матрицей должен составлять 5—10% толщины материала, причем этот зазор образуется за счет уменьшения размеров пуансона при вырубке, а при пробивке — за счет увеличения размеров матрицы.

Рис. 2.2. Роликовые ножницы
Усиление, необходимое для пробивки или вырубки, определяется по формуле, аналогичной формуле (2.1), но вместо длины линии отреза В подставляется периметр вырубаемого контура L. Для круглых деталей диаметром d периметр вырубки равен nd, а усилие

При вырубке внутренних деталей источников света особенно опасны заусенцы, которые могут распыляться в вакууме и искажать электрическое поле. Для предупреждения этого дефекта необходимо следить за своевременной переточкой инструмента и его надежным креплением в штампе.
Вытяжка — это операция изготовления полых деталей из листового материала путем выдавливания материала пуансоном в отверстие матрицы. При глубокой вытяжке материал прижимается к поверхности матрицы для предотвращения образования складок. Чаще всего вытягиваются цилиндрические стаканы, при этом на одной операции коэффициент вытяжки (отношение диаметра заготовки к диаметру получаемого изделия) не должен превышать 1,5—2,0. В процессе вытяжки толщина стенки стакана изменяется, утоньшаясь у донышка и утолщаясь к фланцу.

Схема деформации материала при вытяжке представлена на рис. 2.3. В процессе деформации металл упрочняется и его пластичность снижается, и если изделие невозможно получить за одну операцию, то между отдельными операциями вытяжки вводится межоперационный отжиг. При последующих операциях вытяжки стаканчики переносятся с позиции на позицию грейферными устройствами. 

Рис. 2.3. Схема вытяжки заготовки:
а — без прижима; б — с прижимом; 1 — матрица; 2 — фиксатор; 3 — пуансон; 4 —  прижим

В последнее время получили распространение многорядные штампы последовательного действия, в которых заготовки перемещаются без грейферных устройств самой лентой исходного материала. На первой операции производится надсечка ленты по контуру вытягиваемой заготовки, но без отделения ее от ленты, которая затем перемещает заготовку с одной позиции вытяжки на следующую. Этот метод позволяет повысить скорость транспортировки за счет уменьшения инерционных нагрузок и увеличивает производительность, однако расход ленты увеличивается по сравнению с грейферной подачей, поскольку часть ленты, выполняющая транспортную задачу, идет в отход.
Основным оборудованием для листовой штамповки в производстве деталей источников света являются кривошипные прессы, оснащенные многоместными штампами последовательно-совмещенного действия. Для автоматизации штамповки прессы оснащаются устройствами автоматической подачи ленты. На рис. 2.4 приведена кинематическая схема кривошипного пресса простого действия. Коленчатый вал 5 получает движение от электродвигателя 1 через ременную передачу 2, маховик 3, муфту 10 и шестерни 9, 7. Движение ползуна 12 осуществляется с помощью двух шатунов 4. 

Рис. 2.4. Кинематическая схема кривошипного пресса А-821
Грейферные линейки 14 с захватами 15 (предназначенные для последовательного перемещения заготовок от первой операции до последней) раздвигаются рычажной системой 16 с помощью кулачков 6 и ролика 8, а возврат их осуществляется с помощью пружины 11, связанной с тягой 13. Продольное перемещение грейферных линеек осуществляется с помощью рычажной системы 20 и кулачка 22. приводимого через шестерни 23. 24. 27—29 от вала 30. 

Механизм подачи ленты в штамп первой операции 17 приводится в движение через храповую передачу 18, рычажную систему 19, 25 и серию шестерен 31—34 от коленчатого вала. Подача ленты регулируется изменением положения пальца 21 относительно оси диска 26.
Вытяжка деталей сложной формы осуществляется на прессах двойного действия, имеющих второй ползун, приводимый в движение кулачками, укрепленными на кривошипе. Этот наружный ползун служит для перемещения прижима, удерживающего заготовку, а перемещающийся внутри его основной ползун перемещает плиту вытяжного штампа.
При штамповке первым движется ползун с прижимом и, достигнув нижнего положения и прижав заготовку к матрице, останавливается. Внутренний ползун, несущий пуансоны, начинает движение позднее и поднимается после завершения операции вытяжки первым; только после этого наружный ползун освобождает заготовку.
Для штамповки мелкосерийных изделий применяют также винтовые прессы, а для штамповки деталей из толстого листа — гидравлические прессы·
Точность отштампованных деталей наиболее часто встречающихся размеров (диаметром до 50 мм с толщиной стенки менее 0,5 мм) соответствует 9-му квалитету; точность размеров по высоте составляет 0,2—0,5% полной высоты детали. Для достижения большей точности необходима подрезка торца.

Гибка — это операция обработки давлением, при которой детали или ее части придается изогнутая форма. Гибка осуществляется пуансоном, прижимающим заготовку к неподвижной матрице. При малых радиусах гибки возможно возникновение трещин из-за больших напряжений в растянутых волокнах заготовки, особенно из твердых металлов, а также нарушение заданных размеров деталей вследствие распружинивания. Учет распружинивания путем корректировки угла гибки в штампах обычно не дает должного эффекта из-за разброса механических параметров материала. Стабилизация размеров гнутых деталей достигается многооперационной гибкой, гибкой с прижимом, а также применением универсально-гибочных авто матов взамен простых штампов.
В целом обработка металлов давлением является одним из наиболее прогрессивных методов изготовления металлических деталей. Она позволяет получать тонкостенные, легко обезгаживающиеся и прочные детали при малом отходе материала, хорошо поддается механизации и автоматизации, не требует 100%-ного контроля деталей.