Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
13.3. Процессы производства заготовок и готовых деталей Ковка Ковка - процесс обработки давлением, при котором для получения изделия заданных форм и размеров по заготовке наносится ряд последовательных ударов бойками молота или нажимов пресса. Изделие, получаемое ковкой или горячей штамповкой, называют поковкой. Ковкой получают поковки массой от 0,1 кг до 400 т. Ковка делится на ручную и машинную. Ковку применяют при штучном и мелкосерийном производстве, если к деталям 285 предъявляются повышенные требования по совокупности механических свойств (вибропрочность, сопротивление усталости и др.). Все оборудование для ковки и штамповки можно разделить на две группы: машины статического действия и машины динамического действия. Основной параметр машин статического действия - номинальная сила, машин динамического действия - энергия падающих частей в момент удара: E=0,5mV 2 , где m - ударная масса, т.е. масса падающих частей, V - скорость падающих частей в момент удара по заготовке. К машинам статического действия относятся ковочные гидравлические прессы. Пресс ( рис. 13.9) имеет рабочий цилиндр 1, закрепленный в верхней неподвижной поперечине 10, которая колоннами 4 соединена с нижней неподвижной поперечиной 8, установленной на фундаменте. Главный плунжером 2 сообщает движение подвижной поперечине 3. Верхний 5 и нижний 6 бойки закреплены соответственно на подвижной поперечине и плите 7 нижней неподвижной поперечины. Крепление обычно осуществляют с помощью ласточкина хвоста и клина. Рабочий ход пресса (нажим верхнего бойка на заготовку) происходит под нажимом главного плунжера, на который воздействует рабочая жидкость (эмульсия). Движение траверсы вверх производится тягами 9 под действием давления на плунжеры в цилиндрах обратного хода 11. Гидравлический пресс оснащен гидравлической установкой, которая состоит из гидропривода, системы управления и трубопроводов. Рабочий и обратный ход пресса осуществляют жидкостью высокого давления (20...45 МПа), ход подвижной поперечины вниз до соприкосновения верхнего бойка с заготовкой - жидкостью низкого давления (0,4...1,2 МПа). Скорости движения подвижных поперечин регулируются в широких пределах: рабочий ход 0,03…0,2 м/с, ход без нажима на заготовку 0,1…0,5 м/с. Ковочные гидравлические прессы строят с номинальной силой до 200 МН и более. Поковки массой 3...5 Мг и более куют только на гидравлических прессах. 286 Рис. 13.9. Ковочный гидравлический пресс: 1 – рабочий цилиндр; 2 – главный плунжер; 3 – подвижная поперечина; 4 – колонна; 5 – верхний боек; 6 – нижний боек; 7 – плита; 8 – нижняя неподвижная поперечина; 9 – тяга; 10 – верхняя неподвижная поперечина; 11 - цилиндр обратного хода. Промышленность РФ и за рубежом выпускает автоматизированные ковочные комплексы, в которых прессы имеют дистанционное и программное управление. Автоматизацию процесса ковки осуществляют с использованием системы пресс-манипулятор на базе применения ЭВМ. Автоматизированные ковочные комплексы в настоящее время на автомобильных и других машиностроительных заводах успешно конкурируют при производстве различных ступенчатых поковок с горячей штамповкой. К машинам динамического действия относятся ковочные молоты различных конструкций, с ударной массой от 50 кг до 800 Мг и энергией удара от 0,8 до 200 кДж. Исходным материалом для ковки служат слитки, прокат и прессованные заготовки. Малые и средние поковки массой до 500 кг (вагонные оси, 287 шатуны, небольшие коленчатые валы, кольца крупных подшипников, рычаги крюки, заготовки для штамповочного инструмента и др.) изготавливают из блюмсов, сортового проката и прессованных заготовок. Тяжелые поковки массой до 250…300 кг (судовые прямые и коленчатые валы, валы гидрогенераторов и турбин, колонны прессов, прокатные валки и др.) изготавливают из слитков круглого, многогранного и квадратного сечений. Пустотелые крупные поковки (цельнокованые барабаны сосудов и котлов высокого давления, роторы генераторов, турбинные диски, трубы и кольца) куют из полых слитков. К основным операциям ковки относятся: Осадка – уменьшение высоты заготовки при увеличении ее диаметра (рис. 13.10, а). Осадку применяют для получения поковок типа «диск»; как предварительную операцию перед прошивкой; при изготовлении пустотелых заготовок; для уничтожения литой дендритной структуры, измельчения зерна. Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки при отношении высоты к диаметру более 2,5. Разновидностью осадки является высадка (рис. 13.10, б). Высадка – осадка металла на части длины заготовки. Протяжка – удлинение заготовки или ее части (разгонка) за счет уменьшения ее площади поперечного сечения (рис. 13.10, в). Протяжку производят последовательными ударами плоского или вырезного бойка по отдельным участкам заготовки, с подачей последней вдоль оси протяжки и переворотом (при необходимости) на 90°. При каждом ударе уменьшается высота, одновременно увеличиваются ширина и длина заготовки. При перевороте заготовки, последующие удары устраняют уширение заготовки. 288 Рис. 13.10. Основные операции ковки: а – осадка; б – высадка; в – протяжка; г – протяжка с оправкой; д – раскатка на оправке; е – гибка; ж – отрубка; з – прошивка неглубоких полостей; и – прошивка глубоких полостей; к – прошивка сквозных полостей; л - высадка с подкладкой; стрелками указаны направления действия силы ковки. При протяжке цилиндрических заготовок плоскими бойками, в центре удара появляются значительные растягивающие напряжения и возможно появление трещин. При протяжке заготовок вырезными бойками, силы, направленные с четырех сторон, способствуют более равномерному течению металла, что устраняет возможность появления осевых трещин. Протяжка с оправкой (рис. 13.10, г) – увеличение длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины стенок. Протяжку выполняют в вырезных бойках с установкой заготовки на коническую оправку. Раскатка на оправке (рис. 13.10, д) – одновременное увеличение наружного и внутреннего диаметров заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок. Гибка (рис. 13.10, е) – придание заготовки изогнутой формы по заданному контуру. При гибке необходимо учитывать: пружинение заготовки; искажение ее поперечного сечения (утяжка); возможность образования складок по внутреннему радиусу. Отрубка (рис. 13.10, ж) – отделение части заготовки по не замкнутому контуру. Отрубку производят топорами различной формы. Скручивание – поворот части заготовки вокруг ее оси. Прошивка – получение полостей в 289 заготовке. Неглубокие полости получают за один проход (рис. 13.10, з), глубокие полости получают за два и более прохода (рис. 13.10, и), сквозные полости получают за несколько проходов с переворотом заготовки (рис. 13.10, к). В тонких заготовках, сквозные отверстия получают высадкой с подкладкой (рис. 13.10, л). Небольшие партии заготовок со сложной конфигурацией куют в подкладных штампах. Подкладной штамп состоит из одной или двух частей, в которых выполнена полость, соответствующая конфигурации поковки. Разработка технологического процесса ковки включает составление чертежа поковки, расчет размеров и массы заготовки, выбор основных, вспомогательных и отделочных операций с указанием основного и вспомогательного инструмента, выбор машинного оборудования, определение режимов нагрева и охлаждения поковок. При проектировании поковки необходимо учитывать следующие технологические требования: Простейшие геометрические поверхности (цилиндр, плоскость). Желательной избегать конических и клиновых поверхностей, т.к. появляющаяся осевая сила может вырвать заготовку и травмировать оператора. Пересечения «цилиндр - цилиндр» желательно заменять пересечением «цилиндр - плоскость», практически невозможно отковать ребристые поверхности и местные выступы. Высоколегированные стали склонны к упрочнению, поэтому их куют на прессах. При составлении чертежа поковки сначала вычерчивают тонкими линиями габаритные формы детали. Размеры и формы поковки отличаются на значения припуска (технологического припуска) и напуска (конструктивного припуска). Технологический припуск - увеличение размера поковки сверх номинального размера детали для последующей обработки резанием. Значения технологических припусков устанавливают такими, чтобы после обработки резанием обеспечить удаление дефектов металлургического происхождения, получать заданные размеры детали с необходимой точностью и шероховатостью поверхности. Чем выше уровень технологии 290 ковки, тем меньше технологический припуск. Напуск или конструктивный припуск - дополнительный объем металла, добавляемый к объему детали, для упрощения формы поковки, необходимый для осуществления процесса ковки. Напуски удаляют последующей обработкой резанием. Чем больше напуски, тем менее технологична конструкция детали, т.е. конструктор не учел особенностей способа получения заготовки детали, который он сам же задал. Толстыми линиями вычерчивают контур поковки по номинальным размерам. Объемная штамповка Объемная штамповка - метод обработки, основанный на применении специального инструмента - штампа. Штамп состоит из двух или нескольких частей, которые в сомкнутом состоянии образуют одну или несколько полостей. При сближении частей штампа происходит принудительное перераспределение металла заготовки, в результате чего полость штампа заполняется, получаются заданные формы и размеры поковки. Основные виды объемной штамповки: горячая - в условиях близких к горячей деформации, холодная - в условиях холодной деформации, теплая- в условиях неполной холодной деформации, полугорячая – в условиях неполной горячей деформации. Горячая штамповка Горячая штамповка, по сравнению с ковкой, имеет ряд преимуществ: значительно более высокая производительность; стабильность формы и размеров, более высокая точность размеров; возможность получения поковок более сложной формы. Конструктивные припуски меньше и иногда они могут отсутствовать (значимость этих преимуществ уменьшается по мере расширения технологических возможностей автоматизированных комплексов). Однако для штамповки требуются штампы, имеющие высокую стоимость и ограниченную стойкость. По мере увеличения массы (объема) 291 поковок стоимость штампа увеличивается, а стойкость уменьшается. Поэтому особое внимание необходимо уделять фасонированию заготовок перед штамповкой, а также возможности замены штамповки специальными видами прокатки. Горячая штамповка имеет существенное преимущества, по сравнению с обработкой резанием: значительно более высокие механические свойства, в том числе сопротивление усталости и вибропрочность, и их стабильность; увеличение коэффициента использования материала при оптимизации технологии и конструкций штампов. В настоящее время разрабатываются и реализуются новые технологии, конструкции штампов и оборудования, обеспечивающие рентабельность процесса не только при массовом и крупносерийном производстве, но при серийном и мелкосерийном производстве, доля которых в выпуске машиностроительных предприятий постоянно увеличивается. Автоматизируется проектирование технологии и инструмента, создаются автоматизированные технологические комплексы, расширяется сеть специализированных заводов по производству поковок горячей штамповкой. Исходные материалы для штамповки - стальной прокат в виде прутков (обычно круглого, а также квадратного, прямоугольного и других сечений), блюмсов, труб и профилей переменного сечения (периодический прокат), прессованные прутки и трубы из бронзы, алюминиевых сплавов и других сплавов с пониженной пластичностью. Для штамповки на автоматах и точной горячей штамповки применяют калиброванный прокат. Наиболее распространена штамповка из мерной заготовки, отрезанной в штампе от прутка, имеющей заданные размеры и массу. Из каждой заготовки обычно штампуется одна поковка. Для повышения производительности иногда применяют многоштучную штамповку, при которой из одной мерной заготовки одновременно штампуется до 6…8 поковок относительно небольшого размера. 292 Технологический процесс горячей штамповки включает: разделку исходных материалов на заготовки, нагрев заготовок, штамповку, первичную термообработку поковок и отделку поковок. В соответствии с этим в штамповочных цехах имеются заготовительное, штамповочное, термическое и отделочное отделения. В современных кузнечных цехах основным способом разделки проката на заготовки является точная резка на ножницах и прессах. Технология формоизменения при штамповке зависит от вида применяемого оборудования. Для штамповки применяют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП), горизонтально-ковочные машины (ГКМ), гидравлические прессы, современные машины динамического действия, гибочные машины, крутильные машины и др. При массовом производстве поковок относительно небольшого размера применяют горячештамповочные автоматы. Штамповку на молотах в настоящее время на современных заводах не применяют из-за ряда недостатков: шум и вибрации, пониженная производительность, неприспособленность к современным условиям механизации и автоматизации; большие штамповочные уклоны и др. При составлении чертежа штамповочной поковки и выборе конструкции штампа для горячей штамповки необходимо учитывать следующие общие положения: Геометрическая форма штампуемой детали и выбор поверхности штампа должны обеспечить возможность выема поковки из штампа. Увеличение количества поверхностей разъема позволяет увеличить сложность формы поковки, но уменьшает точность, увеличивает вероятность смещения одной части поковки относительно другой, усложняет технологию штамповки и конструкции штампа. Плоскость разъема штампа (разъем) желательно производить таким образом, чтобы полости штампа имели наименьшую глубину и наибольшую ширину, что облегчает заполнение полости. Полость значительно легче заполняется при осадке, чем при выдавливании. Целесообразно делать разъем по плоскости и наиболее 293 простой конфигурации внешнего контура с тем, чтобы упростить конструкцию штампа, конструкцию обрезной матрицы и фиксацию в ней поковки. Для облегчения выемки поковок из штампа боковые поверхности поковок при штамповке на прессах должны иметь штамповочные уклоны. Величина уклонов должна быть на наружных поверхностях больше, чем на внутренних. Все переходы выполняются по определенным радиусам. Конструкция поковки, выбор плоскости разъема должны обеспечивать соосность усилий при штамповке для предотвращения перекоса и упрощения конструкции штампа. Если эксцентричности нагрузки нельзя избежать, то необходимо предусмотреть дополнительные устройства, предотвращающие смещение частей штампа относительно друг друга. При конструировании деталей сложной формы необходимо установить технико-экономическую целесообразность изготовления ее из нескольких частей с последующей сваркой или запрессовкой. Это может сократить расход металла, уменьшить расходы на штамповочный инструмент. Конструкцией поковки должны быть предусмотрены наименьшие технологические и конструктивные припуски, обеспечивающие заданные показатели качества детали при наивысших технико-экономических показателях производства. Конструкция поковки должна удовлетворять требованиям технологии, условиям механизации и автоматизации, как штамповки, так и обработки резанием и других последующих операций. Формоизменение при штамповке производят в открытых и закрытых штампах, т.е. открытой и закрытой штамповкой. Начальный, промежуточный и конечный моменты штамповки в открытом штампе приведены на рис. 13.11. 294 Рис. 13.11. Открытая штамповка: а, б, в – начальный, промежуточный и конечный моменты штамповки; 1 – нижняя часть штампа; 2 – верхняя часть штампа; 3 – заготовка; 4 – канавка для облоя; 5 – магазин; 6 – промежуточная поковка; 7 – поковка; 8 – облой. Объем заготовки 3 несколько больше объема полости штампа. При сближении частей штампа 1 и 2, течение металла заготовки 3 происходит в направлении наименьшего сопротивления. В некоторый момент металл, растекаясь в направлении, перпендикулярном движению частей штампа, выдавливается в облойную канавку 4, образуя промежуточную поковку 6, облой 8. Канавка для облоя (размеры: ширина и толщина) проектируется и изготавливается таким образом, чтобы сопротивление металла выдавливанию облоя было несколько больше, чем сопротивление металла по заполнению любой наиболее сложной части штампа. Поэтому только при заполнении всей полости штампа ( рис. 13.11, в) излишек металла выдавится в облой. В открытом штампе кроме канавки (щели) размещается магазин 5, в который выдавливается излишек металла. Поэтому к точности объема заготовки не предъявляется жестких требований. Открытая штамповка позволяет получать сложную по форме штамповку. После штамповки облой обрезается в обрезных штампах, как правило, на кривошипных прессах. Облой после обрезки направляется в переплавку. Средний отход металла на облой составляет 15…20%. Для деталей с отростками (крестовины) отход металла на облой достигает 100% от массы поковок. Такие детали более рационально получать поперечным выдавливанием в разъемных матрицах на 295 специализированных кривошипных прессах, при КИМ (коэффициент использования металла, равный отношению массы поковки к массе исходного материала) 80…85% ( рис. 13.12). Низкий КИМ при открытой штамповке значительно ухудшает технико-экономические показатели кузнечного производства. Повышение КИМ может быть достигнуто применением малоотходной штамповки. При малоотходной штамповке взамен канавки для облоя для выдавливания излишков металла предусматривается специальная полость, называемая компенсатором. Действие компенсатора, аналогично канавке для облоя, основано на законе наименьшего сопротивления, т.е. последовательном заполнении элементов полости штампа различной сложности. В отличие от канавки для облоя, располагаемой по всему периметру поковки, геометрическая форма, размеры и место компенсатора рассчитываются согласно заданной конфигурации поковки. При малоотходной штамповке КИМ увеличивается до 60…80% и более. Штамповка в закрытых штампах ( рис. 13.13) не предусматривает образование облоя. Практически весь объем заготовки идет на образование поковки. При закрытой штамповке во избежание перегрузки штампа и оборудования (что особенно опасно для машин кривошипного действия) предъявляются жесткие требования к точности равенства объема заготовки и объема полости штампа, на которую влияет множество факторов. Для повышения точности объема заготовки применяют точную отрезку заготовок в штампе со специальными дозирующими устройствами, что удорожает подготовку производства. Основное ограничение применения закрытой штамповки - значительное увеличение сопротивления деформации при перераспределении металла по объему полости. 296 Рис. 13.12. Поперечное выдавливание в разъемных матрицах: а - перед началом выдавливания; б - промежуточный момент выдавливания; 1, 5 - матрицедержатель; 2 - пуансон; 3, 4 - матрица; 6 - нижний пуансон и выталкиватель; 7 - заготовка до выдавливания; 8 - заготовка после выдавливания; P – усилие выдавливания. Рис. 13.13. Закрытая штамповка: 1 - поковка; 2 – выталкиватели. При производстве поковок сложной формы необходимое усилие возрастает в 1,5 раза и более, стойкость инструмента резко снижается и расходы на инструмент превышают экономию от повышения коэффициента использования металла. Закрытую безотходную штамповку в настоящее время практически целесообразно применять только при производстве поковок простой осесимметричной формы (но не шаров). Фасонированием заготовок непосредственно из заготовок постоянного сечения (отрезанных от сортового проката (прессованных прутков)) можно изготовить поковки только простой формы. В этом случае штамповка производится в одноручьевом штампе. Если поковка имеет сложную форму, то из обычной заготовки в одноручьевом штампе ее отштамповать 297 практически невозможно. В большинстве случаев требуются заготовительные операции, в результате которых получается фасонная заготовка, близкая по форме и размерам к готовой поковке. Из фасонной заготовки в штамповочных ручьях получают окончательную форму поковки. Фасонную заготовку получают ковкой, периодической прокаткой, вальцовкой на ковочных вальцах, предварительной штамповкой на прессах, ГКМ и др. кузнечном оборудовании, а также многоручьевой штамповкой. Ковкой получают фасонные заготовки для штамповки крупных деталей. В этом случае сочетаются преимущества ковки (сокращаются расходы на инструмент) и объемной штамповки (уменьшаются припуски и напуски, повышается производительность). Периодический прокат с металлургических заводов получают при массовом производстве поковок штамповкой. Прокатка более производительна и в целом более экономична. Учитывая преимущества периодического проката, при крупносерийном и серийном производстве, например, в автомобилестроении, станы периодической прокатки устанавливаются непосредственно на машиностроительном заводе. Заготовка переменного по длине сечения может быть получена также на ковочных вальцах ( рис. 13.14). Валки вальцов, на которых укреплены секторные штампы 2 с ручьями, вращаются в разные стороны. Заготовка подается в вальцах до упора 1, когда штампы поворачиваются в нерабочее положение. При обжатии поковка движется в сторону, обратную подаче положения. Деформация может, производится в нескольких ручьях, за несколько проходов. Ковочные вальцы обычно агрегатируют с КГШП, ГКМ и другими кузнечными машинами. При многоручьевой штамповке все необходимые для последовательного формоизменения заготовки ручьи изготавливают в одном штамповом блоке, образующем многоручьевой штамп. Многоручьевая штамповка на КГШП применяется при серийном и крупносерийном производстве (автотракторостроение, сельхозмашиностроение и др.). Ручьи при 298 многоручьевой штамповке делятся на штамповочные и заготовительные. В заготовительных ручьях получают фасонную заготовку, из которой в штамповочных ручьях получают окончательную форму поковки. Многоручьевую штамповку применяют для поковок небольших по массе и длине. Рис. 13.14. Получение поковки на ковочных вальцах: 1 – упор; 2 – секторные штампы. КГШП относится к большому классу штамповочных машин, у которых рабочим органом является ползун, который приводится в возвратно-поступательное движение при помощи кривошипно-ползунного механизма ( рис. 13.15). Электродвигатель 2 передает движение клиновыми ремнями 13 на маховик 1, сидящий на приемном (промежуточном) валу 3. На другом конце закреплено малое зубчатое колесо 4, которое находится в зацеплении с большим зубчатым колесом 5, свободно вращающемся на кривошипном валу 7. С помощью пневматической фрикционной дисковой муфты 6 зубчатое колесо может быть сцеплено с кривошипным валом. Тогда вал приводится во вращение. Посредством шатуна 8 вращение кривошипного вала преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна 11. Для остановки вращения вала после выключения муфты служит тормоз 12. Высота положения стола 10 пресса может изменяться с помощью клина 9. Для облегчения удаления поковки из штампа на прессы устанавливают выталкиватели, расположенные в столе и ползуне. Выталкиватели срабатывают при ходе ползуна вверх. 299 Рис. 13.15. Кривошипный горячештамповочный пресс (КГШП): 1 – маховик; 2 – электродвигатель; 3 – приемный (промежуточный) вал; 4 – малое зубчатое колесо; 5 – большое зубчатое колесо; 6 – пневматическая фрикционная дисковая муфта; 7 – вал; 8 – шатун; 9 – клин; 10 – стол пресса; 11 – ползун; 12 – тормоз; 13 – клиновые ремни. Основные особенности штамповки на КГШП заключаются в следующем: На КГШП можно штамповать как в одноручьевых, так и в многоручьевых штампах, при этом обжатие в каждом ручье осуществляется за один ход ползуна, т.к. КГШП имеет фиксированную нижнюю точку хода ползуна. Высокая жесткость конструкции пресса, отсутствие ударов и сотрясений обеспечивают точность поковки по высоте, делают возможным применение 300 направляющих колонок у штампов, что практически исключает сдвиг. Снижаются или исключаются штамповочные уклоны за счет применения выталкивателей в верхней и нижней половинах штампа. При штамповке на КГШП применяют сборные штампы, состоящие из пакета с направляющими колонками и сменных ручьевых вставок, что позволяет экономить штамповую сталь, снижать трудоемкость изготовления и время на ремонт. Наличие колонок, увеличивающих точность поковок в горизонтальной плоскости. Наличие выталкивателей позволяет создать необходимые условия для работы инструмента при выдавливании. КГШП наиболее удобны для штамповки круглых в плане поковок, штампуемых в торец. Поковки с удлиненной осью и значительными перепадами сечений можно изготавливать на КГШП, используя фасонные заготовки, полученные на ковочных вальцах, а также периодический прокат. Сквозные отверстия в поковках получают на отдельной позиции в штампе КГШП, либо на обрезном кривошипном прессе. Облой при открытой штамповке удаляют аналогично. На КГШП применяют прямое ( рис. 13.16, а), обратное ( рис. 13.16, б) и другие виды выдавливания. Использование выдавливания при горячей объемной штамповке дает возможность получить поковки с длинными стержнями простого, сложного и переменного сечения, глубокие стаканы и др. При штамповке выдавливанием за счет больших деформаций повышается производительность, улучшаются механические свойства, и повышается КИМ (штамповочные уклоны и облой в ряде случаев могут отсутствовать). На КГШП возможна широкая механизация и полная автоматизация процесса, включая подачу заготовок в штамп и передачу из ручья в ручей, практически полная безопасность в работе. Максимальная номинальная сила КГШП изготавливаемых за рубежом 100 МН. В России на заводе тяжелых механических прессов (г. Воронеж) освоено производство КГШП силой 125 МН и по заданию промышленности могут 301 быть изготовлены прессы с номинальной силой до 150…200 МН, что значительно расширяет технологические возможности горячей штамповки. Рис. 13.16. Схемы выдавливания: а – прямое; б – обратное. Типовые поковки, штампуемые на КГШП приведены на рис. 13.17. Первая группа - осесимметричные поковки, изготовляемые осадкой в торец или осадкой с одновременным выдавливанием. Вторая группа - поковки удлиненной формы с небольшой разницей поперечных сечений. Третья группа - поковки удлиненной формы со значительной разницей сечений с предварительным фасонированием заготовки. Четвертая группа - поковки с изогнутой осью различной сложности. Пятая группа - поковки, получаемые выдавливанием. 302 Рис. 13.17. Классификация поковок, штампуемых на КГШП. ГКМ - кривошипный пресс с двумя горизонтальными ползунами. В отличие от КГШП штамп на ГКМ состоит из трех частей: неподвижной и подвижной матрицы и пуансона, имеет две плоскости разъема. Штамповка производится в один или несколько переходов в отдельных ручьях. На примере наиболее часто применяемой операции высадки рассмотрим последовательность процесса. Вначале пруток нагретым концом укладывают в неподвижную матрицу, положение прутка фиксируется упором ( 13.18, а). Далее подвижная часть матрицы приближается к неподвижной, зажимает пруток и образует полость штампа. Упор автоматически уходит в сторону ( 13.18, б). При движении пуансона высадкой заполняется полость штампа ( 13.18, в). Происходит обратный ход пуансона, части матрицы разжимаются ( 13.18, г) и заготовка удаляется из полости штампа, либо передается в следующий ручей. 303 Кроме высадки, на ГКМ осуществляют прошивку, выдавливание сплошных и полых тел, гибку и др. Рис. 13.18. Технологический узел ГКМ: а – пруток нагретым концом подан до упора в неподвижную часть матрицы; б – подвижная часть матрицы зажала пруток и образовалась полость штампа; в – полость штампа заполнена металлом при движении пуансона; г – произошло раскрытие матрицы При конструировании поковок необходимо: задавать штамповочные уклоны на цилиндрических участках поковок, высаживаемых в полости пуансона (около 0,5 ), на бортиках, формируемых в глубоких круговых впадинах матрицах (0,5…1,5 ). Избегать конических форм выемок и хвостовиков. ГКМ приспособлена к механизации и автоматизации процесса. При массовом производстве мелких поковок применяют горизонтально-ковочные автоматы. 304 ГКМ обычно имеют номинальное усилие 1…32 МН. Типовые поковки, получаемые на ГКМ приведены, на рис. 13.19. Рис. 13.19. Классификация поковок, штампуемых на ГКМ. Современные гидравлические прессы строят с номинальной силой до 1000 МН. Принцип работы штамповочных прессов, такой же, как и ковочных. Прессы имеют выталкиватели для удаления поковок из штампа. Их применяют для штамповки особо крупных поковок массой до 500 кг, поковок из малопластичных сплавов, для операций с большим ходом инструмента. При штамповке на гидропрессах применяют обратное выдавливание для 305 получения тонкостенных с глубокими отверстиями поковок, для протяжки с целью утонения стенок ранее прошитой заготовки. Штамповкой на гидравлических прессах получают крупные рычаги, фланцы, зубчатые колеса, полые корпуса, диски железнодорожных колес, крупные коленчатые валы, днища резервуаров, гребные винты, ребристые панели, стабилизаторы, корпусные детали самолетов и ракет. Освоено производство быстроходных гидравлических штамповочных прессов, в которых разница в числе ходов, по сравнению с механическими прессами, уменьшилась до 2…5 раз. Применяют также гидравлические штамповочные прессы двойного действия, у которых, кроме рабочих цилиндров, расположенных на неподвижной траверсе, имеются рабочие цилиндры, плунжеры которых имеют горизонтальное перемещение, а оси их совпадают с осями разъема. Холодная объемная штамповка Холодная объемная штамповка (ХОШ) - это способ получения в штампах заготовок и деталей из сортового проката и прессованных прутков, основанный на процессе холодной деформации. Основные операции ХОШ: высадка открытая и закрытая, выдавливание и вдавливание. Высадку ( рис. 13.20) применяют для получения ступенчатых деталей с образованием фланцев и других местных утолщений, для набора металла последующей штамповкой. На процессе высадки основано производство крепежных деталей (болтов, винтов, заклепок, гвоздей и т.п.), шаровых пальцев автомобилей и других деталей с шаровой головкой, штуцеров и т.п. При ХОШ применяют все виды выдавливания: прямое, обратное, поперечное, комбинированное и радиальное ( рис. 13.21). 306 Рис. 13.20. Схемы высадки: а – открытой; б – закрытой. Рис. 13.21. Схема радиального выдавливания При прямом выдавливании сплошного стержня невыдавленная часть заготовки имеет поперечное сечение в виде круга или многоугольника. Выдавленная часть имеет поперечное сечение в виде круга, многоугольника или сложного профиля. Прямое выдавливание применяется для получения болтов, гаек, ступенчатых валов, деталей со шлицами и продольными канавками. Выдавленная часть может иметь переменное сечение (детали с отростками, бобышками и др.). При обратном выдавливании внешний и внутренний контуры поперечного сечения штампованной заготовки имеют форму круга или многоугольника или их сочетания. Его для получения гильз, колпачков, стаканов и других полых, трубчатых деталей, а также для получения полых и трубчатых заготовок для прямого и обратного выдавливания, а также для вытяжки при листовой штамповке. При комбинированном выдавливании сочетаются различные виды выдавливания (прямое выдавливание полого стержня + обратное выдавливание полого стержня, поперечное выдавливание + обратное выдавливание полого стержня и др.), что позволяет сократить технологический цикл при производстве сложных по форме деталей и существенно снизить нагрузки на инструмент. Радиальным выдавливанием получают звездочки, шестерни. Прошивку и вдавливание широко применяют для получения полостей пресс- форм и штампов. В этом случае в заготовку вдавливается мастер-пуансон с 307 соответствующей по форме и размеру необходимой полости пресс-формы или штампа. Наибольшее значение в технике имеют выдавливание и высадка. Основной характерной особенностью процесса являются высокие давления на инструмент (2,5 ГПа и более), поэтому штамповочный инструмент имеет низкую стойкость. В связи с этим рекомендуется подвергать ХОШ сплавы с относительно низким сопротивлением деформации (алюминиевые и медные сплавы, низкоуглеродистые и малолегированные стали). Исходной заготовкой служит обычно калиброванный сортовой прокат или прессованный материал в виде прутков и проволоки. Иногда металл подвергается калибровке волочением. Перед штамповкой металл отжигают, очищают от окислов и загрязнений, наносят слой носителя смазочного материала и смазывают. Носитель смазочного материала на заготовки из углеродистой стали наносят фосфатированием. Основным рабочим инструментом является матрица и пуансон. Матрицы подвергаются действию распорных усилий. Для повышения прочности и надежности матрицы запрессовывают в бандаж. Внешний контур матрицы изготавливают в виде конуса с углом наклона 1,5 15 . Внутренний размер бандажа несколько меньше, чем внешний размер матрицы, что создает натяг. Запрессовка матриц в бандаж производится в холодном состоянии. В зависимости от давления при штамповке применяют одно - и многобандажные матрицы. При наличии резких перепадов сечений матрицы изготавливают составными. Значительное влияние наряду с качеством поверхности рабочих частей инструмента оказывает их профиль, величину конуса принимают по справочным данным. В наиболее тяжелых условиях работает пуансон для обратного выдавливания полости. При выдавливании сталей длина рабочей части пуансона принимается не больше двух его диаметров. При выдавливании стальных деталей вставки матриц изготавливают из сталей типа Х12Ф1 и Х12М, пуансоны для обратного выдавливания из сталей типа Р6М5. 308 При массовом производстве крепежных и других ступенчатых деталей диаметром до 30…35 мм, применяют одно- и многопозиционные автоматы, являющиеся механическими прессами специальной конструкции. Исходной заготовкой служит калиброванная проволока диаметром до 35 мм, которая проходит через правильное устройство, и механизмом подачи на заданную длину подается на позицию отрезки. После отрезки, заготовка передается на позицию штамповки механизмом переноса с линии отрезки. На многопозиционном (число позиций от 3 до 6) автомате с позиции отрезки заготовка попадает на первую позицию, штампуется, выталкивается из матрицы, переносится на вторую позицию, штампуется и т.д. При штамповке крепежных и других деталей, имеющих резьбу, отштампованная заготовка после выталкивания с последней позиции автоматически передается и задается в накатное устройство автомата. Номинальное усилие автоматов достигает 15 МН и более. При серийном производстве деталей диаметром до 100 мм, получаемых выдавливанием, применяют кривошипные прессы для холодного выдавливания с номинальным усилием до 30 МН. Отличительной особенностью таких прессов является их высокая жесткость, допустимость номинального усилия на большой длине хода ползуна, длинные направляющие ползуна, усиленные и надежно работающие выталкиватели. Штамповку более крупных деталей диаметром до 150 мм и длиной более трех диаметров осуществляют на гидравлических прессах для холодного выдавливания с номинальным усилием до 60 МН. ХОШ - один из наиболее прогрессивных методов производства ступенчатых и полых заготовок и деталей из цветных металлов и сплавов, углеродистых и легированных сталей. ХОШ, в том числе холодное выдавливание и высадка, широко применяются при производстве деталей диаметром до 50…100 мм и массой до 6…10 кг. ХОШ имеет следующие преимущества: Деформационное упрочнение, отсутствие надрезов волокна, образующихся при обработке резанием, 309 направленность волокна вдоль конфигурации детали, улучшение микрогеометрии поверхности. Благодаря этому повышается сопротивление динамическим нагрузкам и вибропрочность. Переход на холодную объемную штамповку в ряде случаев позволяет использовать менее легированные стали и сплавы. По сравнению с литьем и горячей штамповкой, КИМ повышается на 10…30%. При ХОШ деталей с большими перепадами сечений и наличием полостей КИМ возрастает по сравнению с обработкой резанием в 2…3 раза. Следовательно, одним из основных направлений работы конструкторов машин и приборов и технологов является разработка конструкций узлов и деталей применительно к технологии ХОШ, и внедрении процессов ХОШ взамен обработки резанием. Обеспечивается высокая точность размеров (отклонения от номинального размера 0,01…0,1 мм) и низкая шероховатость поверхности (1,25…0,63) мкм и меньше. Это снижает объем доделочных операций, а иногда и исключает их. При крупносерийном и массовом производстве значительная экономия достигается за счет снижения трудоемкости. Применение для штамповки многопозиционных штампов, особенно многопозиционных автоматов, позволяет увеличить производительность, по сравнению с автоматами для обработки резанием, в 10…15 раз и более. Основные ограничения процесса на данном уровне развития науки и техники: Низкая стойкость инструмента при штамповке заготовок из сталей и сплавов повышенной прочности. Ограниченность размеров и сложности формы детали. Необходимость применения специальных режимов разупрочняющей термической обработки и нанесения покрытий носителями смазочных материалов, что удлиняет и усложняет цикл производства. Повышенные требования к качеству проката, к инструментальным сталям и штамповочному оборудованию. Значимость этих ограничений с развитием науки и техники уменьшается. 310 Теплая и полугорячая объемная штамповка Применение ХОШ ограничено высоким сопротивлением деформации и интенсивностью деформационного упрочнения, что не позволяет штамповать детали из сплавов с повышенным сопротивлением деформации, детали сложной формы с большой массой, применять сплавы, обеспечивающие необходимые эксплуатационные свойства деталей, соответствующие требованиям современной техники из-за низкой стойкости инструмента и соответственно высокой их технологической себестоимостью. Теплая объемная штамповка происходит при неполной холодной деформации, при которой процесс упрочнения сопровождается возвратом. Фактическая температура деформации находится в интервале от 0,25 до 0,3 температуры плавления (Тпл). Полугорячая объемная штамповка происходит при неполной горячей деформации, при которой процесс упрочнения сопровождается возвратом и частичной рекристаллизацией. Согласно закону Н.С. Курнакова с повышением фактической температуры деформации сопротивление деформации уменьшается. Исключение составляют низкоуглеродистые стали, у которых, с повышенным содержанием азота, при неполной холодной деформации, по сравнению с холодной, сопротивление деформации увеличивается, а пластичность уменьшается. Возможность и эффективность перехода на теплую и полугорячую штамповку определяют из анализа кривых упрочнения, построенных в заданном интервале температур. Переход на теплую и полугорячую штамповку позволяет сохранить основные преимущества ХОШ (точность и повторяемость размеров, высокое качество поверхности, исключающие при технологичности конструкций детали припуски на обработку резанием). В процессах с локальным нагружением, деформирующий инструмент воздействует на площадь давления в десятки раз меньшую, чем при обычном нагружении, что повышает стойкость инструмента и позволяет получать детали из сталей и сплавов повышенной прочности. Штамповку с локальным нагружением осуществляют, как правило, в условиях холодной деформации 311 и применяют, если технологические возможности классических методов производства заготовок деталей и готовых деталей (специальных видов прокатки, ковки, штамповки): Не позволяют получить заданные конструктивные элементы деталей (резьбы и профили, поперечные канавки и выступы, сложный профиль внешней поверхности полых деталей, в том числе переменное сечение по длине и др.). Не обеспечивают заданной точности размеров и соответственно полное исключение технологических и конструктивных припусков, а соответственно и обработки резанием. Экономически не эффективны из-за малой серийности производства, большой номенклатуры деталей, низкой стойкости инструмента. К процессам производства деталей или их отдельных элементов конструкции локальным нагружением относятся накатка ( рис. 13.22), раскатка радиальная открытая ( рис. 13.23, а) и закрытая ( рис. 13.23, б), раскатка торцевая, раскатка полых заготовок качающимся инструментом ( рис. 13.23, в), холодная поперечно-клиновая прокатка и др. |