Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

"Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. "

Кафедра "Сварка и металлургия"

Курсовая работа

по дисциплине "Теория обработки металлов давлением"

на тему

"Технологические основы процесса объемной штамповки"

Направление 150400.62 - Металлургия (МЕТЛ)

Выполнил:

студ. гр. б2МЕТЛ-31

Щуркин Д.О.

Проверил:

к. т. н., доц. Фомин А.А.

Саратов 2015

Содержание

• Введение
• 1. Физические основы объемной штамповки
• 2. Оборудование
• 2.1 Высокоскоростные молоты
• 2.2 Горизонтально-ковочные машины
• 2.2.1 Пресс однокривошипный горячештамповочный КБ8042
• 2.3 Ротационные способы изготовления поковок
• 2.4 Штамповка жидкого металла
• 3. Оснастка и инструменты
• 3.1 Матрицы для горячей объемной штамповки
• 3.2 Матрицы для горячей объемной штамповки на прессах
• 3.3 Марки штамповых сталей
• 4. Режимы работы
• 4.1 Отделочные операции после объемной горячей штамповки
• 4.2 Смазочные материалы для штампов
• 4.3 Схема процесса штамповки на горизонтальноковочной машине
• 5. Материалы и изделия
• 5.1 Конструкции поковок
• 5.2 Геометрическая точность поковок
• 6. Патентное исследование
• 7. Расчет усилия штамповки
• 7.1 Определение усилия штамповки
• 7.2 Построение графика зависимости усилия штамповки от площади проекции разъема штампа
• Вывод
• Заключение
• Список литературы
• Приложение

Введение

Штамповка является одним из наиболее прогрессивных видов обработки металла давлением, при котором течение металла принудительно ограничивается поверхностями ручьев и выступов штампов.

Объемная штамповка делится на открытую, при которой по периметру поковки образуется заусенец, или облой, и закрытую, когда заусенца, или облоя, не образуется. В конечный момент открытой штамповки ручьи образуют единую замкнутую форму, соответствующую конфигурации поковки с заусенцем (заусенец занимает от 50 до 80% объема заусеночной канавки). При закрытой штамповке в конечный момент образовавшаяся форма соответствует конфигурации поковки без облоя или заусенца.

Штамповка по сравнению со свободной ковкой имеет ряд достоинств: высокая производительность; однородность и точность получаемых поковок; высокое качество поверхностей штампуемых поковок, в связи, с чем они обрабатываются только в местах сопряжений с другими деталями; возможность получения поковок сложной конфигурации.

Закрытая штамповка обеспечивает получение поковок без заусенца, благодаря чему заготовка может быть уменьшена на объем этого заусенца, а отсутствие заусенца по периметру поковки ведет к сокращению цикла технологического процесса и экономии электроэнергии и штамповой стали.

Объемная штамповка имеет и недостатки: ограниченность штампованных поковок по весу (200 кг); высокая стоимость штампа; заусенец, вес которого составляет значительную долю от веса поковки у открытой штамповки; утяжеление поковок, полученных закрытой штамповкой, за счет увеличения напусков, образуемых односторонними штамповочными уклонами по высоте поковки.

В целях получения поковок большого веса применяют комбинированные методы ковки и штамповки. Из-за высокой стоимости штампа штамповку наиболее выгодно применять в массовом и крупносерийном производстве.

В производстве крупных поковок типа коленчатых валов применяется секционная штамповка.

Объемная штамповка осуществляется на штамповочных молотах, кривошипных ковочно-штамповочных прессах, горизонтально-ковочных машинах, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-гибочных машинах, ротационных машинах, ковочных вальцах и др.

Основная задача горячей штамповки, как и других видов обработки, формоизменение заготовки с максимальным приближением ее формы к форме готовой детали. Это формоизменение обусловлено пластичностью металлов, то есть их способностью формоизменяться без разрушения.

1. Физические основы объемной штамповки

Горячая объёмная штамповка (ГОШ) - это вид обработки металлов давлением, при которой формообразование поковки из нагретой до ковочной температуры заготовки осуществляют с помощью специального инструмента - штампа. Течение металла ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость (ручей) по конфигурации поковки. В качестве заготовок для горячей штамповки применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине.

Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки [1].

Холодная объёмная штамповка (ХОШ) металла - разновидность обработки металлов давлением. Отличие её от обработки горячей штамповкой в том, что её выполняют при температуре сплава ниже точки рекристаллизации. Различают несколько видов холодной штамповки: холодная высадка, холодное выдавливание и штамповка в открытых штампах.

Такая обработка осуществляется в несколько операций, что обеспечивает постепенное и последовательное изменение формы: от изначальной формы заготовки до требуемой формы изделия. В процессе металлообработки происходит упрочнение материала и снижение его пластичности. Для увеличения пластичности и уменьшения сопротивления последующим деформациям применяют межоперационные отжиги, особенно в случаях, когда осуществляется большое число переходов.

Детали, изготовленные способом объёмной холодной штамповки, характеризуются высокой точностью: полые изделия, изготовленные этим способом, могут иметь толщину стенки, измеряемую в десятых и сотых долях мм. Технически, применение этой технологии позволяет изготавливать детали особо сложных форм, которые невозможно получить, используя другие методы обработки. Формовка металла без разрушения его целостности позволяет увеличить коэффициент использования материала до 95 % даже для деталей сложной конфигурации. Холодное выдавливание осуществляется методом давления, по своей сути схожим с прессованием металла. Отличие заключается в образовании трёхосного неравномерного сжатия в области деформации, что приводит к повышению пластичности обрабатываемого материала и позволяет получать большое формоизменение заготовки. Процесс формования детали заключается в следующем: под влиянием давления, создающегося при обжимании заготовки до состояния текучести, металл вытекает через отверстия матрицы соответствующей формы. Течения металла относительно к движению пуансона может иметь разную направленность и в зависимости от этого направления различают типы выдавливания.

1. Прямое выдавливание характеризуется совпадением движения пуансона и направления течения металла. Он применяется для получения сплошных удлинённых поковок: деталей значительной длины.

2. Боковое выдавливание характеризуется вытеканием металла через боковые отверстия, под углом к движению пуансона. Применяется для получения поковок с отростками: деталей сложной формы.

3. Обратное выдавливание характеризуется направлением вытекания, противоположным движению пуансона. Применяется для пустотелых поковок: деталей полых внутри.

объемная штамповка материал оснастка

4. Комбинированное выдавливание характеризуется одновременным течением в нескольких направлениях и применяется для производства деталей сложной формы.

Процесс штамповки заключается в принудительном перемещении металла заготовки в полости специализированного инструмента - штампа. Две полости штампа (ручьи) при совмещении образуют форму штампуемой поковки. Заготовку приближают к форме поковки в предварительных (подготовительных) ручьях и оформляют затем в окончательных (черновых) ручьях.

Так как силы трения препятствуют заполнению угловых элементов штампа и приводят к значительному увеличению усилия деформации, то при штамповке, как правило, применяют смазку. В соответствии с используемым для деформации оборудованием выделяют три основных разновидности штамповки: штамповку на молотах; штамповку на прессах (кривошипных горячештамповочных, гидравлических, винтовых); штамповку на горизонтально-ковочных машинах [2].

Формоизменение характеризуют с помощью трех основных видов штамповки: штамповки в открытых штампах; штамповки в закрытых штампах и штамповки выдавливанием. На рис.1 представлена схемы штамповки в открытых штампах.

Верхняя половина штампа 1 перемещается под действием усилия Р и давит на торцевые поверхности заготовки 5. Металл при этом деформируется в ручьях 6-го штампа, образованного верхней 1 и нижней 2 половинами, и, заполняя его, вытекает в заусенечную канавку 3. Сформированная таким образом поковка 4 имеет по периметру заусенец (облой) 7. Для извлечения поковки из штампа служат штамповочные уклоны б, величина которых составляет 5-10°.

Рис. 1 схема штамповки в открытых штампах: 1 - верхняя половина штампа, 2 - нижняя половина штампа, 3 - заусенечная канавка, 4 - поковка, 5 - заготовка, 6 - деформирующий ручей штампа, 7 - заусенечный облой.

При открытой штамповке выделяют три основные стадии течения металла: свободную осадку (рис. 2, а); заполнение штампа (рис. 2, б) и выдавливание заусенца (рис. 2, в). На практике существует и четвертая (нежелательная) стадия, когда ручьи штампа заполнены, но поковка не выполнена по высоте. Постадийное изменение усилия штамповки представлено на (рис. 2, г). Основной недостаток штамповки в открытых штампах - это большие потери металла на заусенец, которые зависят от массы и формы поковок и могут достигать 30 % и более. Кроме того, волокна металла при удалении облоя оказываются перерезанными, что существенно снижает качество поковок.

а б в г

Рис. 2. Три основные стадии течения металла: а - свободная осадка, б - заполнение рабочего пространства штампа, в - выдавливание заусенца в облойную канавку, г - зависимость усилия штамповки от перемещения молота штампа.

Схема штамповки в открытых штампах осесимметричной, поковки, имеющей плоскость симметрии (рис. 3). Обычно процесс штамповки состоит из двух этапов: одновременного деформирования ступицы и дисковой части поковки и выдавливания заусенца. Рассмотрим формоизменение металла на первом этапе.

Рис. 3 Схема штамповки в открытых штампах осесимметричной поковки.

Положение свободных поверхностей будем определять по среднему внешнему диаметру 2R_i и средней высоте ступицы 2z_i. Штамповку в закрытых штампах (безоблойную штамповку) применяют для получения поковок несложной формы с небольшой разницей в размерах сечений. Заготовка 5 диаметром D₀ и высотой H₀ помещается в штамп, основными частями которого являются пуансон 1, матрица 2 и выталкиватель 3 (рис.4). При перемещении пуансона происходит последовательное осаживание заготовки и заполнение полости штампа с образованием поковки заданных размеров и формы. При этом инструмент не обеспечивает свободного удаления цилиндрической поковки 4 из ручья штампа. Для удаления поковки из полости штампа применяют штамповочные уклоны б и выталкиватель 3. Для горизонтально-ковочных машин штамп может быть выполнен разъемным и состоять из трех частей (пуансон и разъемная матрица). Практически некоторая часть металла затекает в зазоры между разъемными частями закрытого штампа, образуя незначительный заусенец. Объем последнего зависит от колебаний объема заготовки и износа штампа.

Большой объем заготовки из-за отсутствия возможности фиксировать момент заполнения ручьев (окончание процесса штамповки) приводит к распору штампа, что отрицательно сказывается на его долговечности. Поэтому основным соотношением, принятым для технологических расчетов при штамповке в закрытых штампах.

Рис. 4. Штамповка в закрытых штампах: 1 - пуансон, 2 - матрица, 3 - выталкиватель, 4 - цилиндрическая поковка, 5 - заготовка.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется значительной экономией металла, отсутствием дополнительной операции обрезки облоя, благоприятной схемой всестороннего сжатия, меньшей величиной уклонов (б =1-3°), чем при открытой штамповке. Особенно эффективна схема штамповки в закрытых штампах для малопластичных сплавов, так как боковой подпор стенок полости штампа значительно повышает гидростатическое давление, в результате чего пластичность металла возрастает. Кроме того, макроструктура поковок характеризуется тем, что волокна металла получают очертания контура поковки и не перерезаны.

Основным недостатком способа штамповки в закрытых штампах являются его неуниверсальность. Например, круглый контур поковки при штамповке в закрытых ручьях неприемлем из-за нетехнологичности конструкции инструмента, что характеризуется низкой стойкостью кромок штампа. Существенно снижают область применения закрытых штампов ограниченность рациональных форм штампуемых поковок и необходимость точной дозировки металла, кроме того, точность поковки по высоте ниже, чем при штамповке в открытом штампе. Во избежание перегрузки штампов и оборудования при нарушении условия равенства объемов заготовки и поковки применяют компенсаторы. Это специальный приемник излишков металла, расположенный в месте наиболее трудного заполнения металлом штампа, в который выдавливается лишний металл после оформления поковки. В отдельных случаях компенсатор выполняет те же функции, что и заусенечная канавка, при этом металл тормозится при выходе из полости штампа, обеспечивая заполнение всех его углов, и в то же время излишки металла поступают в компенсатор, не создавая перегрузки инструмента и оборудования. Так как при закрытой штамповке не предусматривается заусенец и реализуются только 2 стадии формоизменения (осадка и заполнение штампа), то усилие при всех других одинаковых параметрах всегда меньше усилия штамповки в открытых штампах. Штамповка выдавливанием устраняет один из недостатков закрытой штамповки - необходимость точной дозировки металла за счет конструктивно нового решения формы штампа (рис. 5). Поковка в таком штампе состоит из двух основных частей: корпуса и стержневой части, а штамп выполнен закрытым с двумя плоскостями разъема, причем имеется основная полость штампа, характеризующаяся диаметром D (рис. 5, а), и полость выдавливания диаметром d. В качестве разновидностей данного процесса выделяют прямое, обратное, комбинированное и боковое выдавливание, отличающиеся направлением перемещения металла относительно направления перемещения инструмента.

При штамповке выдавливанием можно выделить несколько преимуществ. Одно из них - это возможность получения поковок из малопластичных сплавов с точными размерами и качественной поверхностью, пластическая деформация которых облегчается в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Вторым достоинством является возможность выдавливания в стержневую часть поковки излишка металла и его последующее удаление. Таким образом, при штамповке выдавливанием по сравнению с закрытой штамповкой нет необходимости в точной дозировке объема металла. Процесс штамповки характеризуется уменьшением металла в основной полости инструмента, высоким качеством поковок, а также отсутствием отхода металла в заусенец.

а б

Рис.5. Штамповка в закрытых штампах выдавливанием

Наиболее важными недостатками процесса являются высокие удельные усилия деформации и как следствие относительно низкая стойкость инструмента, ограниченность форм поковок, сложная конструкция рабочего

инструмента. Течение металла при штамповке выдавливанием осуществляется в три стадии: осадка до момента соприкосновения с боковыми стенками оси полости штампа; заполнение основной полости штампа; формирование поковки в полости выдавливания. Особенностью диаграммы усилия (рис. 5, б) является некоторое снижение усилия выдавливания к концу второй стадии течения металла из-за уменьшения сил трения по контакту в основной полости штампа [1].

2. Оборудование

Оборудование для горячей объемной штамповки молоты штамповочные, горячештамповочные кривошипные прессы, горизонтально-ковочные машины. Процессы штамповки на этих машинах имеют свои особенности, обусловленные устройством и принципом их действия.

2.1 Высокоскоростные молоты

Штамповкой на высокоскоростных молотах (ВСМ) получают поковки различных конфигураций с тонкими ребрами, стенками, полотнами, чётким оформлением торцевого рельефа, в ряде случаев без обработки части поверхностей на металлорежущих станках.

Шероховатость поверхностей поковок из алюминиевых сплавов до Ra 0,8, из титановых сплавов и сталей Rz 20. Классификация штамповочных поковок ВСМ включает следующие типы: стержни с утолщением (лопатки, клапаны); стержни с глухой полостью (стаканы, полусферы, крышки); диски (гладкие, со ступицей, с валом); детали с продольным и торцовым оребрением (стержни, стаканы, крыльчатки, шестерни с оформлением зубчатого контура); рычаги, кронштейны, фитинги, корпуса, угольники и др.

На рис.6 показан общий вид высокоскоростного штамповочного молота модель М7348 с энергией удара 63 кДж (6300 кгс•м).

Технологические особенности серийно выпускаемых ВСМ: наличие нижнего выталкивателя; минимальная скорость удара 6 м/с; минимальный рабочий ход при наибольшей энергии удара 160 кДж в пределах 3-5 мм; отклонение величины энергии последовательных ударов составляет не более 2-5 % от номинального значения; рабочие циклы составляют 5-15с.

Высокоскоростная штамповка, как правило, одноударная, но при обработке заготовок большой массы возможна штамповка и за два - три удара. Целесообразность получения поковки штамповкой на ВСМ решают исходя из анализа конфигурации и размеров изготовляемой детали.

Рис. 6. Штамповый молот (мод. М7348): 1 - амортизаторы, 2 - сварная станина, 3 - баба, 4 - пульт управления

2.2 Горизонтально-ковочные машины

Горизонтально ковочные машины (ГКМ) изготовляют с усилием по ползуну до 3150 тс. Кинематическая схема этой машины изображена на (рис. 7).



Рис. 7. Кинематическая схема горизонтальноковочной машины: 1 - мотор, 2 - клиноремённая передача, 3 - маховик, 4 - кривошипный вал, 5 - шатун, 6 - главный ползун, 7 - несущий пуансон, 9 - неподвижная матрица, 10 - подвижная матрица, 11 - системные рычаги, 12 - боковой ползун, 13 - кулачки.

Горизонтально ковочная машина представляет собой горизонтальный кривошипный пресс, который дополняется боковым механизмом, получающим движение от кулачков 13. Главный ползун 6 машины, несущий пуансон 7, приводится движение от кривошипного вала 4 через шатун 5. Движение подвижной щеки вместе с подвижной матрицей 10 осуществляется от бокового ползуна 12 системой рычагов 11. Сам боковой ползун приводится в движение с помощью кулачков 13, сидящих на кривошипном валу 4. Движение на привод передает мотор 1 через клиноременную передачу 2 и маховик 3.

Штампы горизонтально-ковочных машин состоят не из двух частей, а из трех: неподвижной матрицы 9, подвижной 10 и пуансона 7, раскрывающихся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, что позволяет штамповать сложные поковки. Матрицы 9 и 10 имеют вертикальную плоскость разъема. Главный ползун 6 и боковой 12 горизонтально-ковочной машины в отличие от кривошипных пресс осуществляют движение в горизонтальном направлении.

В настоящее время применяются горизонтально-ковочные машины (небольших размеров) с горизонтальной плоскостью разъема (подвижная матрица вверху), этим облегчается возможность автоматизации технологического процесса.

Штамповка на горизонтальноковочных машинах характеризуется высокой производительностью, возможностью изготовлять поковки сложной конфигурации без напусков; малыми отходами металла точностью размеров и чистотой поверхности и удобством работы.

Вне зависимости от формы полости инструмента высадить на любой диаметр за один переход, выступающий из зажимной части матрицы конец прутка можно лишь в том случае, когда длина этого конца не превышает трех диаметров его. При большей длине возможен изгиб заготовки, а поэтому деформирование в этих случаях осуществляется в специальных наборных ручьях. При наборе материала в матрицах диаметр полости не должен превышать 1,5 диаметра высаживаемого прутка.

Набор материала в пуансоне (рис. 8, а) осуществляется чаще в конических полостях. Максимальный диаметр конуса D₁ не должен превышать 1,5 диаметров исходного прутка d, если D₁ = l,5d, то размер, а не должен превышать 2d, если D₁<l,25d, то размер, а может быть увеличен до 3 d. При последующих высадках под диаметром d следует подразумевать средний диаметр конуса d1, полученного в предыдущем ручье (рис. 8, в), или диаметр прутка d1 (рис. 8, б), высаженного на предыдущем переходе.



Рис. 8. Ручьи штампа ГКМ с набором металла в пуансоне.

Максимальная длина выживаемой части прутка не должна превышать 12 ее диаметров. Необходимое усилие Р, для штамповки на ГКМ определяют по формуле:

P = cFу_пч

где F - площадь проекции поковки на плоскость, перпендикулярную к направлению движения ползуна; у_{пч -} предел прочности металла при температуре штамповки; с - коэффициент, зависящий от конфигурации поковки; для грубых расчетов его можно принять равным 4.

При работе одновременно во всех ручьях штампа значение F - площадь проекции переходов поковки в формуле Р = cFу_пч следует заменять на плоскость, перпендикулярную направлению движения ползуна.

Понятие о конструкции штампов для этих машин и о ходе работы штампа дает (рис. 9).

Заготовкой является цилиндрический пруток, который после нагрева закладывается в ручей 1 штампа и, будучи зажатым матрицами, деформируется верхним пуансоном. Деформированию подвержена часть заготовки, которая выступает из зажимной части ручья. В первом ручье производят набор материала вследствие того, что длина высаживаемой части более трех ее диаметров, и получают усеченный конус А. Полученный в ручье 1 полуфабрикат переносится в ручей 2, после деформирования, в котором поковка получает вид В; в этом ручье, в отличие от ручья 1, где набор металла происходит в полости матрицы, формующая полость находится и в матрице, и в пуансоне. В ручье 2 поковки оформлена по наружному контуру с наметкой отверстия. В ручье 3 происходит прошивка отверстия, диаметром пуансона равным диаметру прутка, после чего получается готовая деталь С. Прошивка осуществляется нижним пуансоном с помощью прошивной вставки 4, закрепленной в матрице. Благодаря, прошивки деталь отделяется от прутка.

Рис. 9. Штамп ГКМ для получения поковки с отверстием: 1 - ручей для получения полуфабриката, 2 - ручей для оформления наружного контура, 3 - ручей для прошивки отверстия, 4 - прошивная вставка.

Правая матрица штампа крепится к станине машины, а левая матрица к подвижной щеке машины при помощи накладок. Пуансоны прикрепляют к ползуну с помощью пуансонодержателей или переходных державок.

Если техническими условиями на изготовление поковки не допускается смещение половин утолщения и овальности наружного диаметра поковки, то штамповку нужно производить в пуансоне. В этом случае наружная поверхность утолщения поковки оформляется боковыми стенками пуансона и не имеет дефектов. Поковка, отштампованная в пуансоне, может иметь меньшие припуски и допуски, следовательно, является более точной. Для такой штамповки проще наладить штампы. Там, где возможно, этому способу штамповки следует отдать предпочтение.

2.2.1 Пресс однокривошипный горячештамповочный КБ8042

Станина пресса КБ8042 - сборносварная, разъемная, состоит из стоек, верхней траверсы и стола, соединенных между собой стяжными шпильками и гидрогайками. Привод регулировки положения стола - механический, от электродвигателя. Для удаления поковок из нижней половины штампа стол оснащен гидропневматическим выталкивателем. Привод прессов - одноступенчатый. Движение передается от электродвигателя через клиноременную передачу на эксцентриковый вал и далее через кривошипно-шатунный механизм на ползун. Муфта включения и тормоз - фрикционные, дисковые, с электропневматическим управлением и воздушным охлаждением, смонтированы на ступице станины. Для наладки прессов предусмотрен микропривод. Ползун - литой, стальной, совершает возвратно-поступательное движение в регулируемых направляющих станины (нижних и верхних). Ползун уравновешен пневматическими цилиндрами. Для удаления поковок из верхней половины штампа ползун оснащен жестким механическим выталкивателем. Управление прессами - кнопочное. Электросхема предусматривает работу прессов в автоматическом и наладочном режимах, а также в режиме одиночных ходов. Система смазки - автоматическая, централизованная, густая [20].

2.3 Ротационные способы изготовления поковок

В основе этих способов лежит процесс ротационного обжатия при вращении инструмента или заготовки. При обкатывании инструментом заготовки очаг деформации имеет локальный характер и постоянно перемещается по заготовке, вследствие чего усилие, действующее на инструмент, меньше чем при штамповке. Это позволяет изготовлять поковки большой массы (заготовка вагонных осей) с большой точностью, так как упругие деформации при меньших усилиях меньше.

Штамповка на ковочных вальцах напоминает продольную прокатку, на двух валках закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи (рис. 10, а).

Рис. 10. Схемы действия ковочных вальцов (а), ротационно-ковочной машины (б), станов поперечно-клиновой прокатки (в); раскатки (г)

Нагретую заготовку 1 подают до упора 2, когда секторные штампы 3 расходятся. При повороте валков происходит захват заготовки и обжатие ее по форме полости; одновременно с обжатием заготовка выталкивается в сторону подачи. На вальцах изготовляют поковки типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т.п., а также осуществляют фасонирование заготовок. Исходное сечение заготовки принимают равным максимальному сечению поковки, так как при вальцовке происходит главным образом протяжка. Штамповка на ротационно-ковочных машинах подобна операции протяжки и заключается в местном обжатии заготовки по периметру (рис.10, б). Заготовку 1 в виде прутка или трубы помещают в отверстие между бойками 5 машины, находящимися в шпинделе 4. Бойки могут свободно скользить в радиально расположенных пазах шпинделя. При вращении шпинделя ролики 3, помещенные в обойме 2, толкают бойки 5, которые наносят удары по заготовке. В исходное положение бойки возвращаются под действием центробежных сил. В машинах этого типа получают поковки, имеющие форму тел вращения. Существуют машины, у которых вместо шпинделя с бойками вращается обойма с роликами; в этом случае для возвратного движения ползунов служат пружины. В таких машинах получают поковки квадратного, прямоугольного и других сечений.

Поперечно - клиновой прокаткой (рис.10, в) получают заготовки валов и осей с резкими ступенчатыми переходами диаметром от 12 до 120 мм. Деформирование может осуществляться инструментом в виде двух валков, валка и сегмента или двух плоских плит. Плоско-клиновой инструмент наиболее прост и обеспечивает получение валов сложной конфигурации с высокой точностью. Заготовка 2 из круглого прокатанного прутка после нагрева автоматически перемещается в рабочую зону клиньев 1 в их исходном положении. Клиновой инструмент, закрепленный в подвижной салазке станка, совершает прямолинейное движение. Заготовка прокатывается между двумя клиновыми плитами.

Раскатка кольцевых заготовок на раскатных станах получила особенно большое распространение при производстве колец подшипников. Схема процесса показана на (рис. 10, г). Заготовка 1 представляет собой кольцо с меньшим диаметром и большей толщиной стенки, чем у поковки. Заготовки получают штамповкой на молотах или горизонтально-ковочных машинах. При подведении к заготовке 1, надетой на валок 2, быстро вращающегося валка 3 заготовка и валок 2 начинают вращаться. При дальнейшем сближении валков 2 и 3 увеличивается наружный диаметр заготовки за счет уменьшения толщины и происходит ее контакт с направляющим роликом 4, обеспечивающим получение правильной кольцевой формы поковки. После касания поковкой контрольного ролика 5 раскатка прекращается. Раскаткой получают поковки колец с поперечными сечениями различной формы наружным диаметром 70 - 700 мм и шириной 20 - 180 мм.

2.4 Штамповка жидкого металла

Штамповка жидкого металла является одним из прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать плотные заготовки с уменьшенными пропусками на механическую обработку, с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Технологический процесс штамповки жидкого металла объединяет в себе процессы литья и горячей объемной штамповки. Процесс заключается в том, что расплав, залитый в матрицу пресс - формы, уплотняют пуансоном, закрепленным на ползуне гидравлического пресса, до окончания затвердевания. Сопряжение пуансона и матрицы образует закрытую фасонную полость. Наружные контуры заготовки получают разъемной формой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной формой - при отсутствии выступов. Внутренние полости образуются внедрением пуансона в жидкий металл.

После извлечения из пресс-формы заготовку подвергают различным видам обработки или используют без последующей обработки. Под действием высокого давления и быстрого охлаждения газы, растворенные в расплаве, остаются в твердом растворе. Все усадочные пустоты заполняются незатвердевшим расплавом, в результате чего заготовки получаются плотными, с мелкокристаллическим строением, что позволяет изготавливать детали, работающие под гидравлическим давлением.

Этим способом можно получить сложные заготовки с различными фасонными приливами на наружной поверхности, значительно выходящими за пределы основных габаритных размеров детали. В заготовках могут быть получены отверстия, расположенные не только вдоль движения пуансона, но и в перпендикулярном направлении.

Возможно, запрессовывать в заготовки металлическую и неметаллическую арматуру. Процесс используется для получения фасонных заготовок из чистых металлов и сплавов на основе магния, алюминия, меди, цинка, а также из черных металлов.

На сегодняшний день довольно широко распространены прессовальные машины литья под воздействием давления. Такие аппараты преимуществено используются для отливки штамповок на основе жидкого металла. Устройства для штамповки жидкого металла обладают ступенчатую поверхность, которая протягивается по всей внутренней поверхности, а так же заливочное окно в стенке ступени меньшего диаметра. Стоит отметить, что в стенке ступени, обладающей несколько большим диаметром, обычно изготавливают дополнительное заливочное окно. Одним из самых крупных недостатков этого устройства является невозможность следить и управлять процессом отливки. Из-за этого, конечно, очень трудно предугадать качество конечной детали. Так же эта особенно часто приводит к тому, что пресс-формы после первой отливки приходится уничтожать из-за несоответствия чертежам и требованиям. Наиболее качественные изделия, максимально отвечающие требованиям и исходным чертежам, можно получить на устройствах, предназначенных для прессования металла под давлением. Такого рода машины так же обладают ступенчатой поверхностью, покрывающей всю длину формы внутренней стороны пресс-формы.

Основным недостатком прототипа такого рода является весьма низкий коэффициент использования дорогостоящей стали (а именно инструментов, изготовленных из неё). В частности эта проблема довольно сильно касается процесса изготовления концевого (или хвостового) режущего инструмента. Это объясняется тем, что хвостовую часть всегда нужно изготавливать только из пресс-остатка. А он, в свою очередь, практически полностью уходит в стружку, вместо того, чтобы уйти на переплав. У такого рода машин для штамповки жидкого металла не предусмотрено наличие вертикального разъёма, что приводит к образованию рельефной полости, объясняющееся так же неполноценной вентиляцией. Другим недостатком таких аппаратов является довольно сильная ограниченность выбора вариантов выполнения формообразующей полости.

Основной целью, преследуемой этим современным изобретением, является стремление повысить коэффициент полезного действия использования инструментов, изготовленных из весьма дорогостоящей стали (при изготовлении хвостового режущего инструмента). Так же новые дополнения предназначены для того, чтобы устройство для штамповки из жидкого металла получало достаточное количество кислорода и полноценно вентилировалось [3].

3. Оснастка и инструменты

Основным типом молотов являются паровоздушные штамповочные молоты. Их конструкция несколько отличается от ковочных молотов. Стойка станины устанавливается непосредственно на шаботе. Молоты имеют усиленные регулируемые направляющие для движения бабы. Масса шабота превышает массу падающих частей в 3 - 30 раз. Все это обеспечивает необходимую точность соударения штампов.

Масса падающих частей составляет 630 - 25000 кг. Используются молоты бесшаботной конструкции. Шабот заменен подвижной нижней бабой, связанной с верхней бабой механической или гидравлической связью. Энергия удара поглощается механизмами молота. При соударении верхней и нижней баб развивается значительная энергия, что позволяет штамповать поковки в одноручьевых штампах. Особенностями ГОШ на молотах являются ударный характер деформирующего воздействия и возможность регулирования хода подвижных частей и величины удара при одновременном кантовании заготовки, что позволяет более эффективно производить перераспределение металла. На молотах возможно выполнение всех заготовительных переходов, в том числе протяжки и подката. Одним из важнейших видов оборудования, применяемого в металлообработке, является штамповая оснастка. Штамповка - это сложный процесс пластической деформации металла, применяемый для придания металлу другой формы и размеров. Штамповка широко применяется при массовом производстве деталей и осуществляется на специальном металлообрабатывающем оборудовании (прессах).

Штамповая оснастка - это разнообразные детали и приспособления, с помощью которых заготовкам придаёт новая форма и размеры. От качества штамповой оснастки во многом зависит качество выпускаемого товара и себестоимость металлопродукции.

С помощью разных видов штамповой оснастки можно осуществлять деформацию металлических, пластмассовых, бумажных заготовок. В промышленности используются два вида штамповки - листовая и объёмная. Листовая штамповка применяется при обработке заготовок, у которых одно из измерений очень мало по сравнению с двумя другими (лист, лента, полоса). Если все измерения заготовки не имеют существенных отличий друг от друга, то штамповка получается объемной. В процессе объёмной штамповки на заготовку из сортового металла воздействуют специальным инструментом - пуансоном. Металл заполняет полость матрицы и приобретает её размеры и форму. Для операций холодной штамповки традиционно используют недорогие металлы и сплавы, обладающие гибкостью и пластичностью, что позволяет значительно уменьшить количество отходов, образующихся при штамповке.

Оснастка штамповая классифицируется по следующим признакам: по способу обработки (штампы вырубные, формовочные, чеканочные, гибочные, вытяжные и прочие); по температурному режиму (штампы для горячей и холодной штамповки); по размерам; по количеству выполненных операций (штампы последовательного или комбинированного действия); по функциональности (для изготовления одного изделия или со сменными частями - для нескольких изделий).

Штамповая оснастка в процессе эксплуатации находится под действием значительных нагрузок. Эти нагрузки различны по величине и направлению и зависят от характера работ, для которых предназначен штамп. Так, например, матрицы вырубных штампов при работе испытывают напряжение на изгиб, на разрыв и на срез; матрицы штампов ударного выдавливания испытывают напряжения на изгиб и разрыв, а пуансоны к этим штампам - напряжения на изгиб и сжатие. Выдержать все эти нагрузки сможет лишь такая деталь штампа, для изготовления которой правильно выбран материал. Применяется штамповая оснастка разъемной конструкции, что позволяет обеспечить высокую точность днищ и возможность съема отштампованного охлажденного днища с формообразующей поверхности пуансона. Применение штамповой оснастки стало зависимым главным образом от стоимости сменной вставки, необходимой для изготовления той или иной мелкой серии заготовок, что же касается стоимости универсального блока, то она должна быть отнесена к сумме всех деталей одного и того же технологического ряда. Достоинством данной штамповой оснастки также является его штампосварное исполнение, что позволяет увеличить ресурс работы и ремонтопригодность оснастки по сравнению с литой конструкцией.

Стоимость обычной штамповой оснастки для горячей штамповки составляет 15-30 % себестоимости штамповок, изготовленных в условиях крупносерийного производства. Парк штамповой оснастки современных штамповочных цехов оптико-механической промышленности достигает 7 - 10 тыс. единиц, а стоимость такого количества штампов составляет несколько миллионов рублей, иногда превышая стоимость основного оборудования штамповочного цеха. Поэтому необходимо так организовать систему штампового хозяйства, чтобы можно было в надлежащем порядке и работоспособном состоянии хранить огромное количество штампов, вести их учет и расчет оборотного фонда, правильную эксплуатацию, ремонт и технический надзор.

В штамповой оснастке пуансон-матрица наибольший контакт с нагретой заготовкой имеет пуансон, наружный контур которого формирует внутреннюю поверхность днища. Вследствие температурного расширения пуансона происходит увеличение внутреннего диаметра днища и отклонение его от номинальных значений. Одновременно происходит уменьшение зазора между пуансоном и матрицей, что вызывает уменьшение толщины стенки, образование гофр и выпучин. Поэтому для получения взаимозаменяемых днищ (с размахом диаметров в пределах поля допуска) необходимо обеспечивать постоянство размера пуансона, формирующего базовые размеры днища. Оборудование для горячей объемной штамповки молоты штамповочные, горячештамповочные кривошипные прессы, горизонтально-ковочные машины. Процессы штамповки на этих машинах имеют свои особенности, обусловленные устройством и принципом их действия.

3.1 Матрицы для горячей объемной штамповки

В горячей объёмной штамповке используются молоты бесшаботной конструкции. Шабот заменен подвижной нижней бабой, связанной с верхней бабой механической или гидравлической связью. Энергия удара поглощается механизмами молота. При соударении верхней и нижней баб развивается значительная энергия, что позволяет штамповать поковки в одноручьевых штампах. Особенностями ГОШ на молотах являются ударный характер деформирующего воздействия и возможность регулирования хода подвижных частей и величины удара при одновременном кантовании заготовки, что позволяет более эффективно производить перераспределение металла. На молотах возможно выполнение всех заготовительных переходов, в том числе протяжки и подката. Верхняя часть штампа заполняется лучше. Части штампа при штамповке на молоте должны смыкаться. При штамповке в открытых штампах облойная канавка имеет вид, представленный на (рис. 11).

Рис. 11. Виды облойной канавки при штамповке на молотах: а - облойная канавка, б - клиновая облойная канавка.

Размеры облойной канавки (рис.11, а) назначаются в зависимости от сложности поковки и ее размеров в плане. Клиновая облойная канавка (рис. 11, б) позволяет снизить потери на облой в результате повышения сопротивления течению металла.

При закрытой штамповке на молотах применяются штампы с одним и двумя замками. Конструкции штампов представлены на (рис.12).

Штампы с одним замком используются чаще, так как они проще в изготовлении. Но они требуют точной наладки и хорошего состояния оборудования. Второй замок (больший конус) предохраняет первый замок и упрощает наладку штампа, но при этом увеличиваются его размеры и масса [4].

Рис. 12. Конструкции закрытых молотовых штампов: а - с одним замком; б - с двумя замками

Припуски на обработку поковок резанием назначают по ГОСТ 7505-89 "Поковки стальные штампованные". Допуски на размеры между обрабатываемыми поверхностями назначают по первому классу точности. В отдельных случаях допуски могут быть расширены.

Допуски на размеры между поверхностями, выполняемыми без последующей обработки резанием, назначают 0,2-0,3 мм. Напуски уменьшают за счет уменьшения штамповочных уклонов, а также более детального оформления торцового рельефа.

Для высоких, формуемых выдавливанием поковок желательно на части высоты поковки назначить уклон 0,5°. Для отштампованной поковки в нижнем штампе выполняют поднутрение в виде кольцевой выточки глубиной 0,3 - 0,5 мм и высотой 2 - 3 мм или обратный уклон 0,5 - 1°. Глубину полости в верхнем штампе делают на 20 - 30 % меньше, чем в нижнем, а штамповочные уклоны поковки для ее верхней половины назначают: наружные 1,5 - 3°, внутренние 5 - 7°; для нижней - наружные 0 - 1°, внутренние 3 - 5°.

3.2 Матрицы для горячей объемной штамповки на прессах

Наиболее часто используются кривошипные горячештамповочные прессы. Выбор пресса осуществляется по номинальному усилию, которое составляет 6,7 - 100 МН.

К особенностям конструкции пресса следует отнести жесткий привод, не позволяющий изменять ход ползуна, отсутствие ударных нагрузок.

Жесткий привод не позволяет производить переходы, требующие постепенно возрастающего обжатия с кантованием, (протяжка, подкат). Для фасонирования заготовки могут быть использованы заготовительные ручьи: пережимной, гибочный. Поэтому при штамповке на прессах сложных заготовок, имеющих удлиненную форму в плане (шатуны, турбинные лопатки), фасонирование осуществляется ковочными вальцами, свободной ковкой, высадкой на горизонтально-ковочных машинах.

Отсутствие ударных нагрузок позволяет не применять массивные шаботы, использовать сборную конструкцию штампов (блок-штампы).

При открытой штамповке на прессах части штампа не должны смыкаться на величину, равную толщине облоя. Полость штампа выполняется открытой и облойная канавка имеет вид, показанный на (рис.13).

Рис. 13. Вид облойной канавки при штамповке на прессах

Для закрытой штамповки используются штампы двух видов: с цельной матрицей, для изготовления поковок типа тел вращения, усилие распора в них воспринимается матрицей и не передается ползуну пресса; с разъемной матрицей, для легкого извлечения из полости штампа поковок, что позволяет значительно уменьшить штамповочные уклоны.

Поковки, полученные на прессах, характеризуются высокой точностью, которая достигается за счет снижения припусков на механическую обработку (в среднем на 20 - 30 % по сравнению с поковками, полученными на молотах) и допускаемых отклонений на номинальные размеры, снижения штамповочных уклонов в два - три раза. Наличие постоянного хода приводит к большей точности поковок по высоте, а жесткость конструкции пресса делает возможным применение направляющих колонок в штампах, что исключает сдвиг.

Производительность труда повышается в среднем в 1,4 раза за счет однократности и повышения мощности деформирующих воздействий. В результате себестоимость поковок снижается на 10 - 30%. Как показывают исследования, штамповка на прессах может быть экономически выгодной даже при загрузке оборудования на 35 - 45%. При штамповке на прессах деформация глубже проникает в заготовку, что позволяет штамповать малопластичные материалы, применять штампы с разъемной матрицей с боковым течением металла.

Процессу штамповки на прессах присущи недостатки: окалина вдавливается в тело поковки, для предотвращения этого необходимо проводить малоокислительный или безокислительный нагрев или полную очистку заготовки от окалины; из-за невысокой скорости деформирования время контакта металла с инструментом больше, чем на молотах, поэтому имеет место переохлаждение поверхности заготовки, что приводит к худшему заполнению полости штампа.

Условия эксплуатации штампов для объемной штамповки, в особенности для горячего деформирования, очень тяжелые. Штампы подвергаются многократному воздействию высоких температур и значительных нагрузок. Интенсивное течение металла в процессе формообразования поковки вызывает истирание (абразивный износ) поверхности ручья. Штампы для горячего деформирования в течение каждого цикла штамповки испытывают резкие колебания температуры, особенно при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей, что приводит к образованию на поверхности ручья разгарных трещин,

Штамповые стали должны обладать высокими механическими свойствами, сочетая прочность с ударной вязкостью, износостойкостью, разгаростойкостью, и сохранять эти свойства при повышенных температурах. Материалы штампов должны хорошо прокаливаться (при термической обработке), обрабатываться резанием и быть сравнительно дешевыми.

Выбор стали для штампа определяется условиями его эксплуатации (горячая или холодная штамповка, динамический или статический характер нагружения, способ смазки и охлаждения, величина удельных усилий штамповки, зависящая от сложности поковки и ее материала, схемы напряженного состояния в очаге деформации), габаритами штампа или вставки, серийностью производства и др. Поэтому для изготовления штампов применяют разнообразные по химическому составу и свойствам марки сталей. Однако их число стремятся свести на заводах к целесообразному минимуму, что облегчает заказ и получение штамповых материалов, изготовление штампов и их эксплуатацию [4].

3.3 Марки штамповых сталей

Марки штамповых сталей и химический состав регламентируются ГОСТ 5950-73 "Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия".

Для изготовления молотовых и прессовых штампов получили распространение стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС.5XНГМ. Полноценным заменителем дефицитных хромоникелевых сталей 5ХНВ и 5ХНМ является безникелевая сталь 4ХСМФ. Дешевыми сталями для высадочных штампов являются марки 4ХВ2С, 5ХВ2С, 7X3, 8X3.

При штамповке труднодеформируемых сплавов применяют высоколегированные стали 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 6ХЗВЗМФС, 5Х2ВМНФ и др. Эти же стали целесообразно применять для изготовления высоконагруженных детали штампов при выездке и выдавливании на ГКМ, ГШКП, горячевысадочных автоматах, высокоскоростных машинах.

Для повышения износостойкости и теплостойкости штамповых вставок, пуансонов и матриц широко применяют химико-термическую обработку поверхности ручья. Например, очень эффективно азотирование сравнительно небольших по габаритам вставок штампов ГШКП. Рабочие элементы обрезных штампов изготовляют из хромистых сталей типа 7X3, 6X3. Реже применяют стали 5ХНВ, 5ХГМ1, 4ХВ2С. Часто режущие кромки деталей штампа, выполненных из стали 45, наплавляют твердым сплавом.

Блоки для молотовых вставок, матриц для высадки изготовляю из сталей 40ХЛ, 40Л. При жидкой штамповке для инструмента используют стали 4Х5В2ФС, 4Х5ЭДФС, ЗХ2В8Ф; для изотермической штамповки титановых сплавов и сталей применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ЖС6К, ЖС6У, керамические и металлокерамические сплавы, сплавы на основе молибдена.

Весьма перспективно при горячей объемной штамповке применение литых штампов, изготовляемых вместе с ручьями. Для литых штампов используют стали, в основном, подобные по составу сталям для ковочных штампов. Применение литых штампов повышает стойкость инструмента, снижает трудоемкость изготовления штамповой оснастки, позволяет более экономно расходовать стали за счет многократного переплава изношенного штампа и др.

Детали штампов для холодного объемного деформирования изготовляют из высокоуглеродистых (У10А), среднелегированных (9ХС, ХВГ) и высоколегированных (Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ, Р18 и др.) сталей. Стали У10А, 9ХС, ХВГ обладают сравнительно невысокой прочностью, поэтому их используют в основном для малонагруженных элементов штампа (выталкивателей, опорных прокладок и т.п.). Высоколегированные стали после термической обработки приобретают высокие показатели твердости, прочности и вязкости [5].

4. Режимы работы

Технологический процесс изготовления штампованной поковки состоит в общем случае из следующих основных операций: разделки проката на мерные заготовки, нагрева, штамповки, обрезки заусенца, термической обработки, чистки от окалины, правки, калибровки. Проектирование технологического процесса штамповки включает выбор способа штамповки, составление чертежа поковки, выбор перехода штамповки, определение мощности штамповочного оборудования (массу подающих частей молота или усилий пресса), конструирование штампов, выбор способа и разработку режимов нагрева, определение видов отделочных операций и техника - экономического процесса.

Чертеж поковки составляют по чертежу детали в последовательности: выбирают поверхность разъема штампов, то есть решают вопрос о том, какая часть поковки будет находиться в верхней или нижней части штампа по ГОСТ 7505-89 "Допуски, припуски и кузнечные напуски" назначают припуски, штамповочные уклоны, допуски, напуски, радиусы закруглений; указывают основные технические условия на поковку.

Нагрев при штамповке. Температурный интервал и типы нагревательных устройств. Способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации. Для увеличения ковкости, то есть повышения пластичности и снижения сопротивления деформирования, обычно повышают температуру металла.

Температура нагрева для разных металлов различна. Эта температура имеет нижний и верхний пределы, между которыми находится температурный интервал штамповки, то есть область температур, при которых целесообразно проводить горячую штамповку.

Металл поковок хорошего качества получают при определенных температурах. При этом нижний предел определяется температурой фазовых превращений.