Внедрение инновационной технологии

Одним из рациональных решений является горячая  объемная штамповка в разъемных  матрицах, то есть в штампах с 2 или несколькими плоскостями разъема, чаще всего на горизонтально-ковочных машинах. Матрицы этих штампов не имеют уклонов, в них можно штамповать даже поковки, расширяющиеся ко дну матрицы. В разъемных матрицах можно также вести штамповку на гидровинтовых и кривошипных прессах. Поковки для одной и той же детали можно получить методами горячей объемной штамповки как на молоте, так и на прессе. В этих двух случаях заготовки будут внешне отличаться, иметь разные припуски.

Объемная  штамповка применяется как однопереходный процесс для получения простейших поковок и многопереходный – для деталей сложных форм. При многопереходной объемной штамповке производят подготовительные операции (так называемое фасонирование заготовок), а затем осуществляют окончательную штамповку. Многопереходную объемную штамповку производят с использованием средств механизации или на автоматах, на гидравлических прессах с усилием 750 Мн, молотах с массой падающих частей до 20-25 тс, кривошипных горячештамповочных прессах с усилием до 80 Мн, на автоматах для одно- и многопозиционной штамповки, на прессах холодного выдавливания, машинах для раскатки, ковочных вальцах и другом специализированном оборудовании. При штамповке на гидровинтовых прессах и высокоскоростных молотах можно получать поковки с тонкими сечениями. На многопозиционных холодно- и горячештамповочных автоматах осуществляется объемная штамповка изделий с наибольшими диаметрами: при холодной штамповке до 50 мм с производительностью до 500 шт/мин, при горячей – до 120 мм с производительностью до 70 шт/мин.

Штампы  – точный, сложный и дорогой  инструмент, поэтому применение объемной штамповки целесообразно главным  образом в крупносерийном и массовом производствах.

Перспективы дальнейшего развития объемной штамповки  определяются расширением применения штампов для горячей малоотходной штамповки и конструированием мощного оборудования для холодной штамповки, а также внедрением новых процессов деформации металлов с использованием явлений сверхпластичности, применением гидростатических методов и др.

 

2 Штампы

Штамп – инструмент, предназначенный  для придания детали заданной конфигурации посредством пластической деформации заготовки или разделением ее на части (штамповкой). Для каждой детали требуется свой штамп. Конструкция  его зависит от типа заготовки (сортовой или листовой прокат), типа машин, используемых для штамповки (молот, пресс), характера выполняемых операций, серийности производства и т. д. При штамповке из сортового проката на молотах штамп имеет полости, которые в процессе деформирования заполняются металлом заготовки, причем она приобретает размеры и конфигурацию, соответствующие полости штампа. Штампы – это массивные стальные формы, состоящие из двух частей в которых имеются полости. Эти полости называются ручьями. Верхняя часть штампа закрепляется на подвижной части кузнечной машины, нижняя – на неподвижной. При смыкании обеих частей штампов образуется ручей, формы и размеры которого соответствуют изготавливаемому изделию. В зависимости от степени сложности изделия используют штампы одноручьевые или многоручьевые. Штамповка паковок сложной конфигурации производится в многоручьевых штампах, ручьи которого подразделяются на заготовительные и штамповочные (чистовые и черновые).

В заготовительных ручьях происходит предварительное, а в  штамповочных – окончательная форма изменения заготовки.

Различают штамповку  в открытых и закрытых штампах.

При штамповке в открытых штампах в плоскости их разъема  часть металла вытекает в облойную щель – получается заусенец (облой), что служит гарантией полного заполнения полости металлом.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что  полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной  и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой. Образование заусенца в нем не предусмотрено.

После штамповки изделий  производят ряд завершающих операции: обрезку облоя, прошивку отверстий, правку, термическую обработку (отжиг  или нормализацию), очистку от окалины, контроль качества паковок.

Деформирование  металла осуществляется путем относительного смещения отдельных рабочих элементов штампа. При штамповке на молотах таких рабочих элементов обычно два: верхняя половина штампа, прикрепляемая к бабе молота, и нижняя половина, прикрепляемая к шаботу молота. Различают открытые штампы, у которых зазор между рабочими элементами уменьшается в процессе деформирования заготовки, и закрытые, у которых этот зазор не изменяется. В открытых штампах металл при деформировании частично вытесняется в зазор, образуя облой (заусенец), удаляемый впоследствии в специальных обрезных штампах. С целью постепенного приближения формы заготовки к форме детали в открытых штампах делают несколько полостей (ручьев), в которых последовательно деформируется заготовка (многоручьевые штампы). Иногда эти ручьи изготавливают в отдельных штампах (одноручьевые штампы), и тогда заготовка последовательно передается от одного штампа к другому. Различают заготовительные ручьи (в них заготовке придается предварительная форма, облегчающая получение требуемой конфигурации детали) и окончательные (черновой и чистовой). Чтобы деталь легче извлекалась из полости штампа, образующие боковых поверхностей полости делают наклонными (штамповочные уклоны). Уклоны могут быть уменьшены, если в штампе предусмотрены выталкиватели, принудительно удаляющие поковку из полости штампа. При штамповке деталей сложной конфигурации в закрытых штампах для обеспечения возможности извлечения поковки из полости штампа число рабочих элементов увеличивают и штампы получает несколько плоскостей разъема. Пример закрытых штампов с двумя полостями разъема – штампы, применяемые на горизонтально-ковочных машинах. Штампы для листовой штамповки, а также для штамповки сортового металла на кривошипных горячештамповочных прессах представляет собой приспособление, состоящее из многих деталей, монтируемых на верхней и нижней плитах (рабочие элементы штампа – пуансон и матрица при листовой штамповке, элементы направления верхней плиты относительно нижней, элементы направления и фиксирования положения заготовки в штампе, элементы крепления и т. д.). штампы для холодной штамповки бывают простого действия (выполняющие одну операцию) и многооперационные. Последние подразделяются на штампы последовательного действия (заготовка подвергается различным операциям в разных позициях в направлении подачи) и штампы совмещенного действия (различные операции выполняются в одной позиции). При мелкосерийном производстве применяют упрощенные штампы с меньшим числом вспомогательных элементов, а также подкладные штампы, которые не крепятся к элементам машины.

 

1.2 Способы объемной  штамповки

 

Давильная обработка

В последнее время  этот метод получается значительное распространение для изготовления деталей в различных отраслях промышленности.

Заготовка, имеющая форму  круга, прижимается упором к вращающейся форме.

Давильня перемещается параллельно оси вращения формы и постепенно деформирует металл заготовки, прижимая его к форме. В зависимости от давления толщина стенок детали может быть равной или меньше толщины заготовки.

Этим методом можно  изготавливать изделия, получаемые вытяжкой при штамповке, но только полые тела вращения. Давильные работы устраняют необходимость изготовления штампов. Форма часто изготавливается из дерева, и поэтому в ряде случаев давильные работы более экономичные, чем вытяжка при листовой штамповке.

 

Производство  гнутых профилей

 

При изготовлении горячей  прокаткой фасонных профилей невозможно получить стенки толщиной менее 2-3 мм. В то же время по требуемой прочности  в конструкциях такая толщина  нередко завышена. Фасонные тонкостенные профили, легкие, жесткие, сложной конфигурации и большой длины можно получать методом профилирования листового материала в холодном состоянии.

Процесс профилирования прокаткой на профилегибочных станках  заключается в постепенном изменении  формы сечения плоской заготовки до требуемого профиля при последовательном прохождении полосы или ленты через несколько пар вращающихся фигурных роликов. Обычно таких пар от 6 до 20 и более. При данном методе площадь поперечного и толщина исходной или ленты практически не изменяется. Происходит только их последовательная гибка в поперечном сечении.

 

 

Примечание—[предложено автором]

Рисунок 1.1—Примеры гнутых профилей

 

Заготовка при изготовлении гнутых профилей может быть лента  или полоса из стали и цветных  металлов толщиной 0,3-10мм.

Форма гнутых гнутых профилей может быть относительно простой  – профиль открытого типа и весьма сложной – профили полузакрытого типа и закрытого типа, профили с наполнителем.

 

Накатывание резьбы и мелкомодульных зубчатых колес

 

Процесс пластического формообразования резьбы плоскими плашками либо роликами производится на специальных резьбонакаточных станках. Резьбонакаточные и зубонакатные инструменты изготавливают из высоколегированных сталей Х12М, ХФ12, Х12ФН, 9ХС.

 

Примечание—[предложено автором]

Рисунок 1.2— Накатывание резьбы плоскими плашками

 

При формировании резьбы плашками заготовку 2 помещают между  неподвижной 1 подвижной 3 плашками. На рабочих поверхностях у них имеется  рифления, профиль и расположение которых соответствует профилю и шагу накатываемой резьбы. При перемещении подвижной плашки заготовка катится между инструментом, а на ее поверхности образуется резьба.

 

Примечание—[предложено автором]

Рисунок 1.3— Накатывание резьбы роликами

 

При формировании резьбы роликами ролики 1 и 3 получают принудительное вращение. Заготовка 2 свободно обкатывается между ними. Ролику 3 придается радиальное движение для вдавливания в металл заготовки на необходимую глубину. Обкатка роликами требует меньших усилий. С их помощью накатываются резьбы с более крупными шагами.

Диаметр заготовки для  накатывания резьбы определяется по формуле :

, (1)

где – наружный диаметр резьбы, мм; – внутренний диаметр резьбы, мм.

Накатывание цилиндрических и конических микромодульных колес в 15 – 20 раз производительнее зубонарезания.

 

Примечание—[предложено автором]

Рисунок 1.4—Накатывание цилиндрических и конических микромодульных колес

 

Процесс можно осуществлять на токарных станках накатниками 1 и 3, которые закреплены на суппорте и перемещаются с подачей Sпр. Каждый накатник имеет заборную часть для постепенного образования накатываемых зубьев на заготовке 2.

 

 

1.3 Технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой

 

Общий технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следующих этапов:

отрезки проката на мерные заготовки;

нагрева;

штамповки;

обрезки заусенца и пробивки пленок;

правки;

термической обработки;

очистки поковок от окалины;

калибровки;

контроля  готовых поковок.

Операции, которые производят с поковкой после  ее штамповки, называют отделочными.

 

1 Нагрев металлов перед обработкой давлением

 

При нагреве металла с повышением температуры уменьшается его  временное сопротивление, а относительное удлинение увеличивается. Таким образом, при деформировании стали, нагретой, например, до температуры 1200ºС, можно достичь большего формоизменения при меньшем приложенном усилии, чем при деформировании ненагретой стали. Все металлы и сплавы имеют тенденцию к увеличению пластичности и уменьшению сопротивления деформированию при повышении температуры в случае выполнения ряда требований, предъявляемых к процессу нагрева. Так, каждый металл должен быть нагрет до вполне определенной максимальной температуры. Если нагреть, например, сталь до температуры, близкой к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ. При этом происходит полная потеря пластичности. Пережог исправить нельзя, пережженный металл может быть отправлен только на переплавку.

Ниже  температуры пережога находится  зона перегрева. Явление перегрева  заключается в резком росте размеров зерен. Вследствие того, что крупнозернистой  первичной кристаллизации (аустенит), как правило, соответствует крупнозернистая вторичная кристаллизация (феррит + перлит или перлит + цементит), механические свойства изделия, полученного обработкой давлением из перегретой заготовки, оказываются низкими. Брак по перегреву в большинстве случаев можно исправить отжигом. Однако для некоторых сталей (например, хромоникелевых) исправление перегретого металла сопряжено со значительными трудностями, и простой отжиг оказывается недостаточным.

Максимальную  температуру нагрева, то есть температуру начала горячей обработки металлов давлением, следует назначить такой, чтобы не было пережога и перегрева. В процессе обработки нагретый металл обычно остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и окружающей средой. Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения (рекристаллизация не успевает произойти) падает и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформирование нецелесообразно (особенно для сплавов, не имеющих фазовых превращений). В этом случае после деформирования зерна успевают вырасти и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.

Каждый  металл и сплав имеет строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 470-350°С; медный сплав Бр.АЖМц 900-750°С; титановый сплав ВТ8 1100-900ºС. Для углеродистых сталей температурный интервал нагрева можно определить по диаграмме состояния в зависимости от содержания углерода. Например, для стали 45 температурный интервал 1200-750ºС, а для стали У10 1100-850ºС.

Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой температуры. Разность температур по сечению заготовки приводит к тому, что вследствие теплового расширения между более нагретыми поверхностными слоями металла и менее нагретыми внутренними слоями возникают напряжения. Последние тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки, и могут возрасти настолько, что в центральной зоне с растягивающими напряжениями при низкой пластичности металла образуются трещины. Разность температур по сечению увеличивается с повышением скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева. Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из высоколегированных сталей из-за их низкой теплопроводности. Например, время нагрева слитка массой из легированной стали составляет 24 ч.