2.3.4 Расчёт и проектирование поковок при горячей объёмной штамповке
Цель работы: практическое усвоение методов расчёта и проектирования поковок; определение размеров заготовок и усилий штамповочного оборудования.
Выбор штамповочного оборудования
Выбор штамповочного оборудования определяется размером и формой поковки, объёмом и себестоимостью производства.
Штамповка на молотах является основным способом изготовления поковок. Широкое применение штамповочных молотов объясняется их универсальностью и простотой в эксплуатации. Молоты относятся к машинам ударного действия, в которых кинетическая энергия падающей массы деформирует материал исходной заготовки. При работе молотового штампа процесс штамповки осуществляется за несколько ударов (2-4 удара). Штамповка заканчивается в момент соприкосновения верхней и нижней частей штампа. Штамповкой на молотах могут изготавливаться крупные поковки сложной формы массой 1 т и более.
Штамповка на прессах применяется в крупносерийном и массовом производстве. Кривошипные горячештамповочные прессы испытывают статические нагрузки. Производительность штамповки на прессах в 1,5-3 раза выше по сравнению со штамповкой на молотах. При этом экономия металла, применяемого в виде проката, по сравнению со штамповкой на молотах может составлять 10-30%. Поковки получаются более высокой точности, с меньшими припусками под механическую обработку. Преимущества применения прессов заключаются также в их высокой жёсткости, в возможности автоматизации.
Штамповка на горизонтальных ковочных машинах используется в серийном и массовом производстве для изготовления сложных поковок повышенной точности из проката. Штамповка на горизонтальных ковочных машинах позволяет получать поковки со сквозным отверстием и характеризуется высокой производительностью.
Выбор линии разъема.
Плоскость соприкосновения бойков штампа называется плоскостью разъёма штампа. Пересечение плоскости разъёма штампа с его боковыми поверхностями образует линию разъёма.
Рекомендации по выбору линии разъёма:
1. Расположение и форма линии разъёма не должны препятствовать извлечению детали из полости штампа.
2. Линия разъёма должна по возможности проходить по наибольшему параметру детали.
Разъём желательно делать в такой плоскости, чтобы полости штампа имели наименьшую глубину, наибольшую ширину и чтобы контур полости на поверхности разъёма верхней и нижней частей штампа был одинаковым.
Для облегчения изготовления штампа разъём делается не по сложной поверхности, а по плоскости. Пространственная конфигурация поверхности поковки в штампе выполняется в виде поверхности тел вращения (конфигурация поверхности поковки в штампе называется ручьём).
Углубления в штампе должны совпадать с направлением удара молота или ползуна пресса.
Определение допусков на размеры поковок и припусков на обработку.
При определении допусков и припусков руководствуются массой поковки и показателями, приведёнными в таблице 14 (ГОСТ 7505-74).
Таблица 14
Показатели, характеризующие степень сложности и технологичность изготовления поковки
Параметры поковок |
Характеристика и обозначение |
Точность изготовления |
Повышенная - класс 1 Нормальная - класс 2 |
Группа стали |
Углеродистая сталь. Легированная сталь с массовой долей углерода до 0,45% и легирующих элементов до 2% -Ml. Легированная сталь с массовой долей углерода свыше 0,45% и легирующих элементов свыше 2% - М2. |
Степень сложности поковок |
Первая -С1 Вторая - С2 Третья - СЗ Четвертая - С4 |
Конфигурация поверхности разъема штампа |
Плоская - П Изогнутая - И |
Группа стали MI и М2 выбирается по наименьшей массовой доле углерода и легирующих элементов.
Степень сложности поковки С1, С2, СЗ, С4 определяется отношением объёма поковки к объёму фигуры, в которую вписывается поковка: C=Vпок/Vфиг. Фигура может быть цилиндром или параллелепипедом. В расчёт должна приниматься та из фигур, объём которой меньше. Значения С при различных группах сложности составляют: С1 свыше 0,63 до 1,00; С2 -свыше 0,32 до 0,63; СЗ - свыше 0,16 до 0,32; С4 - до 0,16.
При определении размеров поковки вначале исходя из массы поковки и требуемых значений чистоты обработки определяют припуски на механическую обработку. Масса поковки подсчитывается ориентировочно.
Значения припусков на механическую обработку поковок приведены в таблице 15 (ГОСТ 7505-74). Стрелками показано определение припусков для поковки массой до 0,25 кг при наиболее простом и наиболее сложном сочетании показателей, характеризующих заготовку. Качество механической обработки поковки описывается параметром шероховатости Rz, (мкм), т.е. высотой неровностей профиля поверхности (по десяти точкам) после механической обработки поковки.
Таблица 15
Припуски на механическую обработку
Масса поковки, кг |
Точно- сть изготов- ления |
Группа стали |
Степень сложности |
Размер, мм |
||||||||
до 50 |
50 - 120 |
|||||||||||
1 кл |
2 кл |
Ml |
М2 |
С1-С2 |
СЗ-С4 |
Rz= 320 -80 |
Rz= 40-2,5 |
Rz= 1,25 |
Rz= 320 -80 |
Rz= 40- 2,5 |
Rz= 1,25 |
|
До 0,25 |
|
|
|
|
|
|
0,6
|
1,1
|
1,4
|
0,7
|
1,0
|
1,5
|
0,25-0,40 |
|
|
|
|
|
|
0,7 |
1,2 |
1,5 |
0,8 |
1,3 |
1,6 |
0,40-0,63 |
|
|
|
|
|
|
0,8 |
1,3 |
1,6 |
0.9 |
1,4 |
1,7 |
0,63-1,0 |
|
|
|
|
|
|
0,9 |
1,4 |
1,7 |
1,0 |
1,5 |
1,8 |
1,0-1.6 |
|
|
|
|
|
|
1,0 |
1,5 |
1,8 |
1,1 |
1,6 |
1,9 |
1,6-2,5 |
|
|
|
|
|
|
1,1 |
1,6 |
1,9 |
1,2 |
1,7 |
2,0 |
2,5-4,0 |
|
|
|
|
|
|
1,2 |
1,7 |
2,0 |
1,3 |
1,8, |
2,1 |
4,0-6,3 |
|
|
|
|
|
|
1,4 |
1,9 |
2,2 |
1,5 |
2,0 |
2,3 |
6,3-10,0 |
|
|
|
|
|
|
1,6 |
2.1 |
2,4 |
1,7 |
2,2 |
2,5 |
После определения припусков, пользуясь таблице 16, находят допуски на размеры поковок. Допуск - это разрешённое отклонение в размерах поковки при проведении технологического процесса.
Таблица 16
Допуски на штампованные поковки
Масса поковки, кг |
Группа стали |
Степень сложности поковки |
Размер поковки, мм |
|||||||
|
Ml |
М2 |
CI |
С2 |
С3 |
С4 |
До 50 |
50-120 |
120-180 |
180-260 |
До 0,25 |
|
|
|
|
|
|
+0,6 - 0,4 |
+0,7 -0,4 |
+0,8 -0,4 |
+ 1,0 -0,5 |
0,25-0,40 |
|
|
|
|
|
|
+0,7 -0,4 |
+0,8 -0,4 |
+0,9 -0,5 |
+ 1.0 -0,6 |
0,40-0,63 |
|
|
|
|
|
|
+0,8- 0,4 |
+0,9 -0,5 |
+ 1,0-0,5 |
+ 1,2 -0,6 |
0,63-1,00 |
|
|
|
|
|
|
+0,9-0,5 |
+ 1,1-0,5 |
+ 1,2 –0,6 |
+ 1,3 -0,7 |
1,00-1,60 |
|
|
|
|
|
|
+1.1- 0,5 |
+ 1,2 -0,6 |
+ 1,3 -0,7 |
+ 1,4 -0,8 |
1,60-2,50 |
|
|
|
|
|
|
+ 1,2-0,6 |
+ 1,3-0,7 |
+ 1,5 -0,7 |
11,6 -0,8 |
2,50-4,00 |
|
|
|
|
|
|
+ 1,3-0,7 |
+ 1,5 -0,7 |
+ 1,6 -0,8 |
+ 1,7 -0,9 |
4,00-6,30 |
|
|
|
|
|
|
+ 1,5-0,7 |
+ 1,6 -0,8 |
+ 1,7-0,9 |
+ 1,9 -1,0 |
6,30-10,0 |
|
|
|
|
|
|
+ 1,6-0,8 |
+ 1,7 -0,9 |
+1,9 -1,0 |
+2,1 -1,1 |
Определение штамповочных уклонов и радиусов закруглений.
Штамповочные уклоны, внутренние радиусы закруглений, перемычки отверстий относятся к так называемым кузнечным напускам. Штамповочные уклоны предназначены для удобства извлечения поковки после штамповки из ручья, а также для облегчения заполнения ручья при ковке. Штамповочные уклоны предусматриваются на всех поверхностях деталей, располагающихся параллельно движению бабки молота или ползуна пресса. Величина штамповочных уклонов выбирается по таблице 17.
Таблица 17
Величина штамповочных уклонов
Штамповочное оборудование |
Уклоны, град. |
|
внешние |
внутренние |
|
Молоты |
7 |
10 |
Прессы с выталкивателем |
5 |
7 |
Горизонтально-ковочные машины |
5 |
7 |
Радиусы закруглений необходимы для получения плавных переходов с одной поверхности ковки на другую. Согласно ГОСТ 7505-74 радиусы закруглений (таблица 18) зависят от массы поковки и глубины полости ручья штампа.
Таблица 18
Значения наименьших радиусов закруглений поковок
Масса поковки, кг |
Радиусы закруглений приглубине полости ручья штампа, мм |
|||||
до 10 |
10-25 |
|
25-50 |
|
свыше 50 |
|
До 1,0 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
3,0 |
||
1,0-6,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,5 |
||
6,0-16,0 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
4,0 |
||
16,0-40,0 |
2,5 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
||
40,0-100,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
7,0
|
||
Свыше 100 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
8,0 |
||
Толщина S обычной плоской перемычки зависит от её диаметра D, высоты h (рисунок 23) и может быть определена по эмпирической формуле
S = 0,45
+ 0,6
,
мм. (1)
Радиус закругления поковки R, находится по формуле
R1=(R+0,l h1+2), мм, (2)
где h, - глубина наметки; R - наименьший радиус закругления поковки (см. таблицу 18).
Наметки выбираются для поковок, диаметры отверстий которых равны или больше 30мм.
Рисунок 23 - Наметка отверстия с перемычкой
Определение размеров канавки для заусенца
Заусенец (или облой) - это разновидность кузнечного напуска в виде тонкого слоя металла поковки, находящегося по плоскости разъёма штампа. Заусенец предназначен:
- для создания уплотнительного кольца вокруг поковки, предотвращающего вытекание металла и оказывающего сопротивление его движению между половинами штампа;
- для поглощения (аккумулирования) излишка металла, образующегося вследствие превышения размеров заготовки по сравнению с размерами ручья штампа;
- для смягчения удара верхней половины штампа о нижнюю. Канавка заусенца по своей ширине имеет два участка: мелкий (мостик), прилегающий непосредственно к ручью, с размерами h и b; глубокий, называемый магазином, с размерами h1 и b1 (рисунок 24)
Рисунок 24 Форма облоиной канавки для молотовых штампов
Рисунок 25 Форма заусенечной канавки для прессовых штампов
При штамповке на молотах h
= 0,015
,
где Fn – площадь проекции поковки на плоскость разъёма, мм2. По размеру h определяют все остальные размеры канавки для заусенца (таблица 19).
Форма заусенечной канавки для прессовых штампов представлена на рисунке 25, а значения параметров канавки - в таблице 20.
Таблица 19
Размеры канавки заусенца молотового штампа
h, мм |
b, мм |
h1, мм |
b1, мм |
Площадь поперечного сечения канавки Sk, см2 |
||
0,6 |
6 |
3 |
18 |
0,52
|
||
0,8 |
6 |
3 |
20 |
0,69 |
||
1,0 |
7 |
3 |
22 |
0,80 |
||
1,6 |
8 |
3,5 |
22 |
1,02 |
||
2,0 |
9 |
4 |
25 |
1,36 |
||
3,0 |
10 |
5 |
8 |
2,01 |
||
Таблица 20 Размеры заусенечной канавки для прессовых штампов |
||||||
Вес поковки, кг |
h, мм |
b, мм |
h1, мм |
Площадь поперечного сечения канавки Sk, см2 |
||
До 1,0
|
1 |
5 |
5 |
1,6 |
||
1,0-1,25 |
1,6 |
6 |
6 |
2,1 |
||
2,5-4,0 |
2,0 |
6 |
6 |
2,4 |
||
4,0-12,0 |
3,0 |
7 |
8 |
3,8 |
||
12-30 |
4,0 |
8 |
8 |
4,5 |
||
У круглых в плане заготовок заусенец в среднем заполняет около 0,5, а у остальных – около 0,8 объёма канавки.
Определение массы и размера заготовки.
Масса заготовки рассчитывается по формуле :
Q заг = Qn + Qзаус +Qуг (3)
где Qn ,Qзаус ,Qуг - соответственно массы поковки, заусенца и угараемого материала при штамповке :
Qзаус = (0,5 – 0,8) pSk (4)
где р - плотность металла заготовки, г/см3 (для стали р=7,8 г/см3); Р -периметр поковки, см.
Масса угараемого металла Q уг, принимается в пределах 2-3% от массы поковки за один нагрев.
Размеры исходной заготовки определяются в зависимости от метода штамповки. Для поковок, изготавливаемых путём осадки в торец, диаметр D и длина L заготовки находятся исходя из вычисленного объёма заготовки
Vзаг =Qзаг /p так, чтобы сохранилось соотношение :
Dзаг=l,08-
,
(5)
где m =
Значение параметра m
обычно составляет от 1,6 до 2,2.
Для поковок,
штампуемых поперёк оси заготовки,
диаметр D
и длина заготовки L
рассчитываются исходя из вычисленного
объёма заготовки
по
формулам :
Lзаг = Lпок – (5-10), мм (6)
где Lпок -длина поковки; Sзаг - площадь поперечного сечения заготовки.
Определение параметров штамповочного оборудования
Масса падающих частей М (кг) молота двойного действия для штамповки в открытых штампах находится по следующим формулам: - для поковок круглой формы в плане :
М= 10( 1 -0,005Dn)( 1,1+2/Dn) (0,75+0,001 D 2n σв); (7)
-для поковок некруглой формы в плане:
где Dn
- диаметр круглой поковки, см; σв
- предел прочности материала поковки
при температуре конца штамповки (таблица
21); Dпр, - приведённый
диаметр некруглой
поковки, мм, равен 1,13
;
Fn
- площадь поперечного сечения
некруглой поковки, см2; Ln
- длина некруглой поковки, см; Вср
-средняя ширина
некруглой поковки, см, равная Fn/Ln.
Таблица 21
Предел прочности сталей при температуре конца штамповки и температурные интервалы горячей штамповки сталей
Марка стали |
Предел прочности стали конца штамповки, кг/мм2 |
Температурный интервал штамповки, °С |
|
|
|
Начало |
Конец |
Ст. 2 |
5,5-6,0 |
1250 |
750 |
Ст. 3 |
1200 |
800 |
|
Ст.20, ст. 25 |
1200 |
800 |
|
Ст. 45 |
6,5-7,0 |
1200 |
800 |
38ХА |
1140 |
800 |
|
30ХГСА |
1180 |
850 |
|
38ХМЮА |
7,5-8,0 |
1100 |
900 |
40XНМА |
1180 |
800 |
|
12XН3A |
1160 |
800 |
|
I2X2H4A |
7,5-8,0 9,0-10,0 9,0-10,0 10,0-12,0 |
1180 |
800 |
18ХНВА |
1800 |
800 |
|
2X13 |
1150 |
900 |
|
1X18Н9T |
1180 |
900 |
|
Расчёт усилия пресса Р при горячей штамповке производится по формулам:
- для поковок круглой формы в плане :
Р=8( I -0,001 Dn)( 1,1 +20/ Dn)σв Fn; (9)
- для поковок некруглой формы в плане
(10)
где Dn- диаметр круглой поковки, мм; Fn - площадь поковки, мм2; Dn р-приведённый диаметр некруглой поковки, мм, равный l,13 ; Ln -длина некруглой поковки, мм; Вср- средняя ширина некруглой поковки, мм, равная Fn/Ln.
Усилие штамповки на горизонтально-ковочных машинах Р рассчитывается по формуле :
P = 5 Fnσв (11)
где Fn- площадь проекции поковки на плоскость, перпендикулярную движению пуансона, мм2.
Порядок выполнения работы
1. Руководствуясь исходным заданием (таблица 22, рисунок 26), выбрать штамповочное оборудование для изготовления поковки.
Таблица 22
Исходные параметры и чертежи деталей для расчёта
№ задания |
Материал поковки |
Чертёж детали (рисунок 5.4) |
Класс точности изготовления |
1 |
Ст2 |
4а |
1 |
2 |
СтЗ |
46 |
2 |
3 |
Сталь 20 |
4в |
2 |
4 |
Сталь 25 |
4г |
2 |
5 |
Ст45 |
4д |
2 |
6 |
1Х18Н9Т |
4е |
2 |
7 |
2X13 |
4а |
1 |
8 |
18ХВА |
46 |
2 |
9 |
12Х2Н4А |
4в |
1 |
10 |
12ХНЗА |
4г |
2 |
11 |
40ХНМА |
4д |
1 |
12 |
38ХМЮА |
4е |
2 |
13 |
30ХГСА |
4а |
2 |
14 |
38ХА |
46 |
2 |
15 |
Ст 2 |
4в |
1 |
16 |
СтЗ |
4г |
1 |
17 |
Сталь 45 |
4д |
2 |
18 |
2X13 |
4е |
1 |
19 |
30ХГСА |
4а |
1 |
20 |
40ХНМА |
46 |
1 |
Рисунок 26 - Чертежи деталей для расчета технологического процесса
Вопросы для самопроверки:
1.Выбор заготовки.
2.Порядок определения припусков при свободной ковке.
3.Основной и вспомогательный припуск.
4.Что такое степень уковки?
5.Порядок определения режима нагрева заготовки.
6.На основании, каких параметров выбирают оборудование для ковки?
Литература
1. Дальский А. М. и др. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1992. - 447 с.
2. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений. ГОСТ 25346-89.- М.: Издательство стандартов, 1989.
3.Жадан В. Т., Гринберг Б. Г. и др. Технология металлов и других конструкционных материалов. - М: Высшая школа, 1970.
4. Казаков Н. Ф. и др. Технология металлов и других конструкционных материалов. — М.: Металлургия, 1975. - 688 с.