4. Производство заготовок объемной горячей штамповкой
Общая характеристика объемной горячей штамповки
При объемной штамповке формообразование заготовки происходит в полости специального инструмента (штампа). Штамповка может производиться в горячем и холодном состоянии. Объемной штамповкой получают поковки разнообразной формы массой от нескольких граммов до 1 т и более.
В зависимости от типа штампа различают штамповку в открытых, закрытых штампах и в штампах для выдавливания.
Штамповка в открытых штампах характеризуется тем, что зазор между верхней и нижней частями штампа является переменным и уменьшается в процессе деформирования металла (рис. 3.9, а-д). В зазор вытекает излишек металла, который образует заусенец. Последний является нежелательным отходом, однако он необходим для обеспечения полного заполнения ручья штампа.
Рис. 3.9. Стадии штамповки в открытом (а–д) и закрытом (е–к) штамповочных ручьях
Штамповка в закрытых штампах отличается тем, что небольшой зазор между верхней и нижней частями штампа обеспечивает лишь их взаимную подвижность и в процессе деформирования металла остается постоянным (рис. 3.9, е-к). Отсутствие заусенцев в закрытых штампах сокращает расход металла, исключает необходимость в обрезке. Однако этот тип штампов применяется для сравнительно простых деталей, в основном тел вращения, и требует использования точных заготовок из калиброванного проката или предварительно обработанных.
При штамповке в штампах для выдавливания (рис. 3.10) расход металла на изготовление поковок снижается (до 30 %)» поковки получаются точные, максимально приближающиеся по форме и размерам к готовым деталям, производительность труда при механической обработке увеличивается в 1,5–2,0 раза. Поковки имеют высокое качество поверхности, плотную микроструктуру. Точность размеров достигает 12-го квалитета. Однако требуются тщательная подготовка исходных заготовок под штамповку, высокая точность изготовления и наладки штампов, использование специальных смазок. Этим способом получают заготовки из углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов. Широкое применение сдерживается высокими удельными усилиями деформирования, большими энергозатратами и низкой стойкостью штампов.
Рнс. 3.10. Схемы штамповки в штампах для прямого (а) и обратного (б) выдавливании: 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – поковка; 4 – выталкиватель |
Рис. 3.11. Схемы штамповки выдавливанием в разъемных матрицах: поперечный (а), продольный (б) и смешанный (в) разъем
|
По сравнению с ковкой горячая объемная штамповка имеет следующие преимущества: возможность изготовления поковок более сложной формы с высоким качеством поверхности (параметр шероховатости Rz = 80–20 мкм, после холодной калибровки Rz = 10–1,6 мкм; меньше допуски на размеры (при точной штамповке такие же, как и при обработке резанием); снижение припусков в 2...3 раза, получение некоторых поверхностей, не требующих обработки резанием; повышение производительности труда (десятки и сотни поковок в час). К недостаткам ее относятся: ограничения по массе получаемых поковок; дополнительный отход металла в заусенец, достигающий 10–30 % от массы поковки; более высокие усилия деформирования; инструмент (штамп) значительно сложнее и дороже, чем универсальный инструмент для ковки.
При штамповке выдавливанием в разъемных матрицах последняя имеет одну или несколько плоскостей разъема, по которым ее части прилегают друг к другу (рис. 3.11). Общей особенностью штампуемых заготовок является то, что они состоят из двух частей: центральной в виде сплошного или полого цилиндра, призмы и периферийной в виде фланцев, отростков, выступов, ребер и пр. К преимуществам штамповки в разъемных матрицах по сравнению с открытыми штампами относятся: отсутствие заусенца; возможность получения поковок без штамповочных уклонов или с незначительными уклонами (до 1–3 °); максимальное приближение формы поковки к форме готовой детали за счет формирования внутренних полостей; возможность получения поковок с более высокой точностью размеров за счет постоянства усилия деформирования.
Однако штамповка в разъемных матрицах требует более сложных и дорогостоящих оборудования и технологической оснастки, нескольких штамповочных переходов с промежуточными нагревами в связи с более интенсивным охлаждением заготовки в штампе, повышенного усилия деформирования.
Классификация штампованных поковок
В соответствии с ГОСТ 7505-89 основными признаками классификации штампованных поковок являются: точность изготовления; группа стали; конфигурация поверхности разъема используемого штампа, степень сложности.
По точности изготовления поковки могут быть пяти классов (от 1-гo класса точности T1 до 5-го Т5). Класс точности поковок устанавливают в зависимости от вида оборудования (технологического процесса) по ГОСТ 7505-89.
Группа стали поковок определяется по содержанию углерода и легирующих элементов: М1 – до 0,35% и 2%; М2 – 0,35–0,65% и 2–5%, М3 – свыше 0,65% и 5 % соответственно.
По конфигурации поверхности разъема используемого штампа различают поковки с плоской (П) и симметрично (Ис) или несимметрично (Ин) изогнутой поверхностью разъема.
Степень сложности поковки
С = Gп/Gф,
Gп – масса (объем) поковки; Gф – масса (объем) геометрической фигуры минимального объема, в которую вписывается поковка (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Примеры поковок и геометрических фигур, в которые могут быть вписаны поковки:
b. d, h и L – габаритные размеры поковок
По значению этого отношения, а также по конфигурации поковки с помощью табл. 3.4 определяют степень сложности поковки (С1, С2, С3, или С4). Поковки типа тонких дисков, фланцев и колец с отношением толщины к диаметру h/d ≤ 0,2 относятся к поковкам со степенью сложности С4.
Таблица 3.4. Классификация штампованных заготовок по степени сложности
Проектирование штампованной заготовки
Исходной информацией для проектирования поковки являются: чертеж детали с указанными на нем размерами, предельными отклонениями размеров, шероховатостью поверхностей и маркой материала; программа выпуска деталей и серийность производства; условия эксплуатации детали; основные сведения о технологии обработки поковки после штамповки.
В начале проектирования определяют способ штамповки, который может существенно повлиять на конструкцию, размеры и точность поковки, особенно если она штампуется на горизонтально-ковочных машинах или гидравлических прессах. Способ штамповки выбирается, исходя из конструктивных размеров и формы готовой детали, технических условий на ее изготовление, характера течения металла в штампе, типа производства, а также из возможностей различных способов штамповки (на молотах, кривошипных горячештамповочных или гидравлических прессах, на горизонтально-ковочных машинах и др.
Затем выбирают положение поверхности разъема штампа. При этом прежде всего предусматривают возможность свободного выхода поковки из полости штампа. Для этого площадь любого сечения поковки выше и ниже поверхности разъема штампа должна уменьшаться по мере удаления от этой поверхности за счет соответствующих естественных откосов или штамповочных уклонов. Например, для шара поверхность разъема может проходить через диаметральное сечение фигуры 1-1 (рис. 3.13, а). Смещение поверхности разъема в положении 2-2 (рис. 3.13, б) приводит к напускам и потере металла, искажению формы поковки, для куба возможны три положения поверхности разъема штампов (рис. 3.13, в): плоскость 1 требует напусков от штамповочных уклонов по четырем боковым граням; тоже и плоскость 2, хотя потери металла в напуски здесь меньше; плоскость 3 создает в каждой части -штампа естественные откосы по двум плоскостям. Для длинных цилиндров целесообразнее применять разъем по плоскости 3 (поперечная штамповка, рис. 3.13, д), так как напуски от штамповочных уклонов здесь будут только у торцов. Для коротких цилиндров применяют плоскость 2 (продольная штамповка, рис. 3.13, г). Для усеченного конуса используют вариант 1, если угол конуса а достаточен для извлечения поковки из ручья без приложения значительных усилий (рис. 3.13, е). Поковки большой длины обычно штампуют по варианту 2 с напусками от штамповочных уклонов на торцах.
Рис. 3.13. Возможные положения поверхностей разъема штампов для простых