2.2 Анализ технологичности процессов изготовления деталей листовых заготовок высокопрочных нержавеющих сталей
2.2.1 Изготовление деталей летательного аппарата на листоштамповочных (падающих) молотах
Небольшие по размерам, имеющие сложную конфигурацию обшивки, относящиеся к третьей технологической группе, а также детали типа полупатрубков, окантовок, крестовик и пр. (рис. 2.4) при характерных для самолетостроения мелко- и среднесерийном производствах изготавливать в инструментальных штампах экономически нерентабельно. Сложные многопереходные инструментальные штампы резко удорожают летательный аппарат, а значительные сроки, необходимые для изготовления таких штампов, затягивают период запуска машины в производство.
Одним из наиболее эффективных решений этой проблемы является применение листоштамповочных (падающих) молотов (рис. 2.5), оснащенных дешевыми быстро (за 3—5 смен) и несложно (путем отливки), изготавливаемыми свинцово-цинковыми штампами. Простые свинцово-цинковые штампы обычно позволяют совмещать несколько операций, требуемых при штамповке в инструментальных штампах, в одну операцию за счет многократного повторения ударов пуансона. После изготовления необходимого количества деталей штамп используется как материал для отливки других штампов.
Процесс штамповки на листоштамповочных молотах имеет ряд недостатков. Детали, изготовленные на листоштамповочных молотах, как по чистоте, так и по точности хуже деталей, полученных вытяжкой или формовкой в инструментальных штампах. Трудоемкость изготовления каждой детали значительно выше из-за ручной доводки, на которую обычно требуется больше времени, чем на собственно штамповку. Квалификация штамповщика на падающих молотах должна быть значительно выше квалификации штамповщика на кривошипных и гидравлических прессах, так как при штамповке на молотах оператор должен сам решить, где на заготовке сделать вырезы для облегчения перетекания металла, где увеличить припуск, где установить регулирующие вытяжку прокладки из резины и какие размеры должны иметь эти прокладки. Доводка детали в процессе штамповки — правка складок после каждого последующего удара — требует от штамповщика знаний и опыта дюральщика (жестянщика). При регулировке силы удара стесселя по переходам требуется хороший навык и понимание процесса перетекания металла, которые даются многолетним опытом.
Рисунок 2.4. Типовые детали летательного аппарата, изготавливаемые на листоштамповочных молотах:
а - крестовина фонаря; б, e - обтекатели; г, d - полупатрубки, г-колпачок, ж - окантовка; з -крышка электросборки; и - обшивка двери, к - жесткость крышки капота; л - каркас двери; м - стыковой угольник, н - деталь лонжерона гондолы двигателя.
Несмотря на перечисленные недостатки при мелкосерийном, и, в особенности, при опытном производствах штамповка на падающих молотах, перечисленных в начале деталей летательного аппарата является наиболее рентабельной и составляет 10—15% по трудоемкости от общего объема заготовительно-штамповочных работ на самолетостроительных заводах.
Фирма Боинг применяет листоштамповочные молоты для штамповки даже таких сложных деталей как законцовки из слоистого алюминия для каналов ракеты «Минитмен», причем брак отформованных деталей не превышает 1%. Экономическая целесообразность применения падающих молотов при средних сериях в каждом конкретном случае может быть установлена сравнением вариантов техпроцесса.
Рис. 2.5. Общий вид листоштамповочного молота:
1—золотник; 2—пневмопанель питания от сети сжатого воздуха; 3—выхлопная труба; 4—рукоятка управления; 5—педаль управления замками; 5—шабот со столом; 7— болты с пружинами; 8—стойка; 9—стессель; 10—шток; 11—траверса; 12—пневмоцилиндр; 13—направляющие.
На раме молота (рис. 2.5), собранной из шабота 6, стоек 8 и траверсы 11 укреплен пневмоцилиндр 12, на штоке 10 которого находится стессель (ползун). Верхняя часть штампа закрепляется на этом ползуне, а нижняя устанавливается на столе, отлитом как одно целое с шаботом 6. С помощью рукоятки управления 4 сжатый воздух подается в верхнюю или нижнюю полости пневмоцилиндра 12, что заставляет стессель 9 вместе с установленной на нем верхней частью штампа ударять по заготовке, уложенной на нижнюю часть штампа или подниматься вверх. Сила удара регулируется высотой подъема стесселя, зависящей от поворота рукоятки управления.
Подвергающийся сильным динамическим нагрузкам стессель 9 молота, выполнен из стального литья. В нижней его части просверлены отверстия, через которые вставляют резьбовые шпильки для крепления пуансонов. Стессель перемещается по направляющим 13. Для точного направления пуансона направляющие при их износе могут выдвигаться из стоек 8 с помощью клиньевого устройства. В верхней части стесселя имеется гнездо для закрепления конца штока 10.
Боковые стойки 8 скрепляют нижнюю и верхнюю части молота и служат направляющими для стесселя. Для уменьшения вибрации при штамповке болты 7, скрепляющие стойки с шаботом бис верхней траверсой 11, установлены с пружинами. Внутри стоек смонтированы замки, удерживающие стессель от опускания, когда не требуется производить удары. Прежде чем произвести удар, оператор должен с помощью ручки управления 4 слегка приподнять стессель 9, освободить замки от веса падающих частей, затем; нажимая ногой на педаль управления замками 5, убрать замки внутрь стоек.
Верхняя траверса 11 служит для скрепления верхних частей стоек 8 с воздушным цилиндром 12. В отдельных конструкциях молотов верхняя траверса выполнена за одно целое с цилиндром. Воздушный цилиндр 12 с находящимся внутри поршнем и штоком 10 служит для подъема стесселя 9 и увеличения скорости падающих частей при движении вниз. В верхней части цилиндра 12 имеется воздушный амортизатор, предохраняющий поршень от удара о верхнюю крышку цилиндра. Для герметичности между подвижным штоком и нижней частью цилиндра 12 предусмотрено сальниковое уплотнение.
Шабот со столом 6 служит для установки на нем матрицы и креплений нижних частей стоек 8. Шабот молота вместе с фундаментом воспринимает энергию удара падающих частей. Поэтому вес шабота в 10—16 раз превышает вес падающих частей молота. Например, вес шабота трехтонного молота MJ1-3 равен 30 тс, а пятитонного 83 тс.
В механизм управления молотом входит также управление предохранительными замками. Педаль 5 с помощью тяг и рычагов (при нажиме на нее ногой) убирает замки внутрь стоек 8. При снятии ноги с педали пружины, помещенные в стойках, выпускают замки наружу, предохраняя стессель от падения. Нижней частью стессель упирается на зубья замков.
Технологические возможности листоштамповочных молотов определяются энергией удара, зависящей от веса падающих частей (вес стесселя и верхней части штампа) и высоты их подъема, и площадью стола. Модель молота обозначается весом падающих частей, (в тоннах).
Экспериментально установлено, что листоштамповочный молот МЛ-1 развивает энергию удара, достаточную для формообразования детали, которая при изготовлении на гидропрессе требует усилия до 5 МН, а молот МЛ-5 эквивалентен гидропрессу с усилием 20—25 МН.
Технология штамповки на листоштамповочных молотах. Типовой технологический процесс изготовления детали на листоштамповочном молоте включает операции: раскроя заготовки, подготовки ее под штамповку, собственно штамповку и доводочные операции.
Особенность раскроя заготовок под штамповку на листоштамповочных молотах заключается в том, что заготовки снабжаются большими припусками (обычно не менее 20 мм на сторону). Размер заготовки сначала берется по приближенной развертке детали, а затем уточняется в процессе штамповки первых деталей. Точной фиксации заготовки на штампе обычно нет. Подготовка заключается в обрезке припуска до минимума на одних и увеличении на других участках заготовки для регулирования перетекания металла при штамповке.
На участках наибольших деформаций заготовку можно в соответствии с будущими очертаниями детали, подгибать, разводить, выколачивать или посаживать. Заготовку разводят в тех местах, где для облегчения вытяжки на штампе необходимо увеличить площадь материала за счет его утонения. Например, заготовки для каркаса двери (рис. 2.4, л) и концевого обтекателя стабилизатора (рис. 2.4, в) необходимо разводить в средней части, т. е. в местах максимальной вытяжки материала. Это сокращает количество переходов при штамповке.
Посадку производят и в тех местах заготовки, где необходимо уменьшить ее площадь за счет утолщения материала. Для облегчения штамповки жесткости крышки капота (рис. 2.4,с) и концевого обтекателя (рис. 2.4, в) выполняют посадку материала по длинной стороне заготовки. Это убирает лишний материал и уменьшает правку гофров при штамповке.
Подгибка заготовок осуществляется на гибочных прессах и трехвалковых станках для более точной фиксации заготовки на матрице. Эту операцию необходимо производить для таких деталей как обшивка двери (рис. 2.4, и) и каркас двери (рис. 2.4, л). Заготовки толщиной меньше 1,2 мм не гнут, так как они изгибаются от собственного веса при укладке на матрицу. Заготовки стыкового угольника (рис. 2.4, ж) и профиля лонжерона (рис. 2. 4,м) гнут на гибочных прессах, после чего они хорошо укладываются в матрицу, и при штамповке получают правильную форму без перекосов.
В зависимости от направления кривизны детали различают штамповку на вытяжку (рис. 2.6, а) и на обжатие (рис. 2.6, б).
При штамповке на вытяжку деталь обращена выпуклой частью вниз. Матрица 5 штампа имеет вогнутую форму, облегчающую фиксацию заготовки. Появляющиеся при штамповке складки на формуемой детали можно править, не снимая деталь со штампа. Большинство деталей штампуется «на вытяжку».
При штамповке на обжатие матрица имеет выпуклую форму и заготовку необходимо перед укладкой на штамп предварительно подогнуть. Штамповка на обжатие применяется, главным образом, при калибровке деталей, отштампованных на штампах первого перехода, и для формовки деталей, имеющих сложные контуры и небольшую глубину вытяжки.
Рисунок 2.6. Способы расположения заготовки в штампе:
а—штамповка на вытяжку; б—штамповка на обжатие; 1—рым-болты; 2—анкерная гайка; 3—шпилька; 4— пуансон; 5—матрица
Для изготовления литых матриц применяется сплав АЦ-13.
Таблица 2.1.
Химический состав сплава АЦ-13
Марка сплава |
Основные компоненты в процентах |
||
Al |
Cu |
Zn |
|
АЦ-13 |
11-13 |
1,5-2,0 |
остальное |
Для пуансонов - сплав свинца с сурьмой Pb+Sb.
Таблица 2.2.
Химический состав сплава Pb+Sb
Марка сплава |
Основные компоненты в процентах |
|
Sb |
Pb |
|
Pb+Sb |
8-13 |
остальное |
Процесс штамповки протекает следующим образом: после укладки заготовки на матрицу стесселю дается небольшой ход и пуансон, заходя неглубоко в матрицу, делает первую, предварительную формовку детали. Стессель поднимается, фиксируется в поднятом положении упорами. Деталь осматривают. Образовавшиеся складки и гофры выправляют вручную ударами молота без съема детали с матрицы. Затем дается второй удар с большим заходом пуансона в матрицу, деталь снова осматривают и правят и т. д. Последний удар — калибрующий — осуществляется с полным заходом и чеканящим ударом пуансона.
В большинстве случаев операция штамповки выполняется в одном штампе. Постепенный, с каждым ударом все больший, заход пуансона в матрицу позволяет совместить в одном штампе несколько переходов, обычно требуемых при штамповке в вытяжных инструментальных штампах. Однако при глубокой вытяжке может потребоваться расчленение операции на несколько переходов. На рис. 2.7 дан пример конфигурации детали (рис. 2.7, в), требующей изготовления трех штампов. В штампе первого перехода набирается материал для будущего колпачка. На переходах (рис. 2.7, б и в) этот материал приобретает окончательную форму. Многопереходная штамповка применяется также при изготовлении больших серий деталей, когда дополнительные затраты на изготовление штампов несколько переходов компенсируются экономией рабочего времени в результате сокращения доводочных ручных работ, кроме того улучшается качество деталей.
Вместо сложных расчетов размера штампа на промежуточные переходы для деталей незамкнутой формы можно пользоваться следующим методом (рис. 2.7). По матрице окончательного перехода или по готовой эталонной детали изготовляют слепок из нескольких слоев грубой марли, пропитанной воском или парафином, толщиной 2-3 мм. После остывания воска слепок снимают с исходной формы и расправляют, стараясь уменьшить глубину вытяжки.
Рисунок 2.7.Схема формовки детали Рисунок 2.8. Схема формовки детали за 2 перехода:
в трех штампах:
а—первый переход; а—штамп первого пере-
б—второй переход; хода; б—штамп второго
в—третий переход перехода и калибровка
Рис. 2.9. Схема штамповки с фанерными рамками:
1—пуансон; 2—фанерные рамки; 3—заготовка; 4—матрица
Ввиду того что волокна нити материи (марли) не растягиваются, а только изгибаются, распрямление слепка не изменяет его длины.
Вытяжка будет производиться на первых переходах в более благоприятных условиях, так как глубина вытяжки а и б на расправленном слепке меньше глубины вытяжки готовой детали в. По слепкам а и б изготовляют гипсомодели матриц промежуточных переходов.
Для снятия нагартовки деталь в промежутке между переходами термически обрабатывается. На рис. 2.8 дан пример двухпереходной штамповки детали сложного профиля. На первом переходе (а) для облегчения перетекания материала формуются только углубления без крайних рифтов. Радиусы R1 для облегчения перетекания материала берут в полтора-два раза больше радиусов R2, требуемых по чертежу детали, а глубину h1 выштамповок — несколько (до 5%) меньшей окончательной глубины h2. На втором переходе это потребует дополнительного растяжения материала, и деталь не будет иметь хлопунов. Формовка крайних рифтов (б) не будет вызывать утяжки металла из средних участков. Как и в предыдущем примере, заготовка после первого перехода подвергается термообработке для снятия нагартовки.
В ряде случаев, когда для штамповки какой-либо впервые запускаемой в производство детали не ясно, можно ли ее получить в штампе за один переход, сначала изготавливается один штамп, по окончательному размеру детали. Если практически отштамповать в нем деталь невозможно, изготавливают один или несколько штампов на промежуточные переходы.
При глубокой вытяжке и сложных конфигурациях деталей свободная штамповка в ряде случаев не позволяет получить деталь без складок и гофров даже при расчленении операции на несколько переходов. В этом случае применяют различные прокладки, регулирующие перетекание металла заготовки. Для предупреждения складкообразования на фланцах заготовки можно пользоваться фанерными рамками 2 (рис. 2.9), выполняющими одновременно функции складкодержателя и ограничителя захода пуансона в матрицу. Рамки вырезаются из фанеры, толщиной 2—4 мм, размер отверстия в рамках на 10—15 мм больше размеров рабочего контура матрицы.
Поскольку штампы не имеют специальных устройств, для фиксации заготовки и рамок, заготовка укладывается на матрицу по риске на матрице, а рамки на заготовку — по контуру проема в матрице, намеченного ударами резиновой киянки по заготовке, лежащей на матрице.
Высота пакета берется ниже высоты детали на 3—5 мм, вытягиваемых на первом переходе. Переход состоит из двух ударов. При первом, не сильном, происходит неглубокая вытяжка (ход пуансона ограничен рамками). При втором ударе, сильном, фанера рамок, спружинивая, прижимает фланец заготовки к плоскости матрицы с усилием, выправляющим гофры, образовавшиеся при первом ударе, и предупреждает образование новых. Затем верхняя рамка снимается, снова повторяются два удара и т. д. Рамками можно пользоваться как при штамповке на вытяжку, так и при штамповке на обжатие.
Задержать или усилить перетекание металла на отдельных участках детали можно с помощью резиновых накладок, используемых на фланце заготовки и на отдельных участках ее внутреннего контура.
Реверсивная штамповка на листоштамповочных молотах применяется при вытяжке, требующей нескольких переходов. Она уменьшает местные утонения листа, значительно сокращает доводочные работы и расход металла на технологические припуски. Коэффициент использования металла при штамповке в простых штампах на листоштамповочных молотах, часто не превышающий 0,4—0,5, при реверсивной штамповке может увеличиваться до 0,75—0,8, а трудоемкость доводочных работ, обычно составляющая в среднем 30-50% общей трудоемкости изготовления детали, в отдельных случаях уменьшается на 40— 50%.
Рисунок 2.10. Примеры распределения деформаций, но переходам штамповки:
а — коробка; б—штамповка первого перехода коробки; в—полупатрубок; г—штамповка первого перехода полупатрубка.
Одновременно с уменьшением ручных доводочных работ улучшается качество детали.
Выполняется реверсивная штамповка, как в жестких штампах, так и в штампах с резиновым пуансоном. Штамповку с резиновым пуансоном применяют при изготовлении деталей простой конфигурации: днища, обтекатели, полупатрубки, коробки из листа, как черных, так и цветных металлов с толщиной стенки до 2 мм. Для формообразования деталей с относительно сложной конфигурацией, при повышенных требованиях к равномерности толщины стенок и расходу материала используются жесткие штампы с пуансонами из свинца из ТЛКЭ и материалами из АЦ13.
На рис. 2.10 показаны примеры конфигурации рабочих поверхностей матриц штампов первых переходов для типовых деталей. Как видно, из приведенных примеров, методика распределения деформаций по переходам аналогична применяемой при вытяжке в инструментальных штампах. Размеры и геометрия заготовок определяются также по методике, принятой при штамповке – вытяжке в инструментальных штампах.
Рис. 2.11. Вид листоштамповочного молота, на котором были отштампованы детали для исследований