Проектирование штампов

      Содержание    

        

Введение

1.Обоснование  рациональности способа горячей объемной штамповки..

1.1. Анализ  конструкции детали

1.2. Характеристика материала детали

1.3. Преимущества  штамповки на КГШП

1.4. Преимущества  индукционного нагрева

1.5. Выбор  способа штамповки поковки

2. Конструирование  поковки

2.1. Выбор  поверхности разъема штампа

2.2. Исходные  данные

2.3. Припуски и кузнечные напуски

2.4. Размеры поковки и допускаемые отклонения

2.5. Назначение  напусков

2.6. Определение  массы поковки

2.7. Разработка чертежа поковки

3. Технологический  процесс

3.1. Определение  размеров исходной заготовки

3.2. Определение  усилия отрезки заготовки

3.3. Определение  коэффициента раскроя и нормы  расхода металла

3.4. Выбор  операций и переходов штамповки

3.5. Температурный  режим штамповки

3.6. Индукционный  нагрев заготовок

3.7. Определение  размеров осаженной заготовки

3.8. Определение  усилия штамповки

3.9. Смазочные материалы

3.10. Определение усилия обрезки облоя

3.11. Термическая обработка поковок

3.12. Очистка поковок от окалины

3.13. Технологическая карта техпроцесса

3.14. Контроль поковок

4. Проектирование штампов

4.1 Проектирование  штампа КГШП

4.2 Проектирование  обрезного штампа совмещенного  действия 

4.3 Эксплуатация  штампов

Литература

Приложения

 

       Введение  

      Ковка и штамповка поковок деталей машин, инструмента других металлоизделий являются древнейшими процессами металлообработки, но и в наше время эти процессы наиболее распространены из – за высокой производительности, экономичности и качества продукции.

      Экономное расходование металла при изготовлении поковок заложено в самой идее пластического формоизменения при обработке давлением, которая состоит в преобразовании заготовки простой формы в заготовку сложной формы того же объема. Отходы производства поковок не присущи технологии ковки и объемной штамповки и большее или меньшее их количество характеризует лишь степень достигнутого технического совершенства данного способа производства поковок.

      Возможность использования высоких скоростей  деформации, быстроходность современных кузнечных машин и небольшое число необходимых относительно несложных технологических операций обуславливает кратковременность рабочего цикла и высокую производительность кузнечно – штамповочного производства. Кованные и штампованные изделия отличаются высокими механическими свойствами. Общеизвестно, что лучший металл – это металл деформированный, а затем термически обработанный.

      В современной металлообрабатывающей  промышленности кузнечно – штамповочное производство является одним из основных способов изготовления заготовок и деталей. Свободной ковкой и объемной штамповкой изготавливают заготовки и детали массой от десятков граммов, до сотен тонн, размерами от сантиметров до нескольких десятков метров.

      Свободной ковкой и горячей объемной штамповкой перерабатывают 7…8% выплавляемой, стали.            

 

    1. Обоснование рациональности способа горячей объемной

      штамповки 

      1.1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛИ «ВТУЛКА» 

      Чистовая деталь «втулка» (приложение А) является представителем класса осесимметричных деталей изготовляемых осадкой в торец с одновременным выдавливанием штампуемых элементов за два перехода с применением осадки. Является телом вращения, ступенчатой формы.

      Габаритные  размеры:

      Наружный  диаметр (наибольший) – 142 мм;

      Наружный  диаметр (верхний) – 90 мм;

      Наружный диаметр (нижний) – 111 мм;

      Ширина  – 50 мм;

      Внутренний  диаметр – 88 мм.

      Материал  детали – качественная конструкционная  углеродистая сталь45 ГОСТ 1050 – 89. Ее механические характеристики приведены в табл.1 и табл.2.  

      1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ. 

      Таблица 1. – Химический состав и механические свойства.

Тип стали 
 Марка стали Содержание  в % Мех. Свойства

на термически          обработанных образцах

 Твердость НВ после  отжига не более
углерода 
 
 марганца серы 
 
 фосфора никель хрома       σ в,МПа 

   

,

       σ τ,МПа 
 
 
  
δ,

%

  

Ψ,

%

  
Качественная  конструкционная 

углеродистая 

 Сталь45 0,42…0,5 0,5…0,8 менее 0,04 менее 0,035 менее 0,25 менее 0,25 610 360 16 40 197
 

      Таблица 2. – Механические свойства стали при ковочных температурах

Материал  стали  
tисп, °С 
  
σ0,2,

МПа

  
σв,

МПа

  
 
δ,%      		 
 
Ψ,

%

  
 
Кψ ,

%/МПа

  
Состояние материала и условия использования
Сталь 45 700 140 171 43 96 0,56 Прокатное;

d = 6 мм;           l = 30мм;          V = 16 мм/мин; έ = 0,009 с-1            

800 65 115 58 98 0,85
900 55 77 62 100 1,3
1000 35 51 72 100 1,96
1100 22 35 81 100 2,86
1200 15 27 90 100 3,7
 
 
 

      1.3 ПРЕИМУЩЕСТВА ШТАМПОВКИ НА КГШП 

      Кривошипные горячештамповочные пресса (КГШП) по сравнению с молотами обладают рядом преимуществ.

      Повышенная  точность получаемых поковок благодаря  постоянству хода пресса и определенности нижнего положения ползуна, что  позволяет уменьшить отклонения размеров поковок по высоте.

      Увеличенный коэффициент использования металла  вследствие более совершенной конструкции штампов, снабженных верхним и нижним выталкивателем, что позволяет уменьшить штамповочные уклоны, припуски, напуски, допуски и тем самым приводит к экономии металла и уменьшению последующей обработки поковок резанием.

      Улучшенные  условия труда вследствие меньших шумовых эффектов, вибрации, и сотрясения почвы, чем при работе на молотах, и относительно спокойным безударным характером работы.

      Возможность применения автоматических перекладчиков  заготовок.

      Более высокой производительности в 1,4…2 раза при штамповке поковок шестерен, так как деформация на прессе в каждом ручье происходит за один ход, а на молоте за несколько ударов.

      Более высокому КПД, достигающему 6…8%; экономический (приведенный к энергии топлива) КПД пресса в 2…4 раза выше, чем у молота.

      Снижение  себестоимости продукции за счет снижения расхода металла и эксплуатационной стоимости.

      Работа  на прессах более простая, так  как не требуется регулировка  энергии удара, не требуется высокой  квалификации рабочих.        

      1.4 ПРЕИМУЩЕСТВА ИНДУКЦИОННГО НАГРЕВА 

      К преимуществам электронагрева относятся:

      1. Экономия и большая скорость нагрева металла, отсутствие необходимости подачи воздуха  в камеру нагрева (как в случае применения печей для поддержания горения топлива), что значительно уменьшает окалинообразование. Потери металла в виде окалины при индукционном нагреве составляют всего 0,2…0,4 % масса нагреваемого металла, что почти в 10 раз меньше чем при пламенном нагреве.

      2. Повышение стойкости штампов.  При уменьшении окалины на  металле стойкость штампов повышается, так как окалина оказывает абразивное воздействие.

      3. Повышение производительности труда.  Большая скорость нагрева позволяет  увеличить температуру начала  штамповки, так как перегрев  металла при малых выдержках  в нагретом состоянии происходит при более высоких температурах. Штамповка при более высоких температурах целесообразна из – за меньших затрат работы на деформацию, что приводит к повышению производительности.

      4. Улучшение условий труда. Отсутствие  грязи и копоти на рабочем  месте улучшает условия труда в горячих цехах, что приближает условия работы в них к условиям работы в холоднопрессовых цехах.

      5. Повышение качества продукции.  Равномерность нагрева и точный  контроль температурного режима  при электронагреве позволяют  обеспечить однородные структуру и свойства металла, сократить тепловые виды брака и увеличить точность размеров поковок за счет уменьшения колебания величины усадки при их остывании.

      6. Отсутствие необходимости в тщательной очистке поковок; экономия времени на очистку заготовок от окалины перед штамповкой; простота обслуживания нагревателей; удобство применения защитных атмосфер в нагревательных индукторах и т. д.

        

      1.5 ВЫБОР СПОСОБА ШТАМПОВКИ 

      Учитывая  приведенные выше преимущества штамповки  на КГШП, а, также учитывая конструктивные особенности детали - тело вращения ступенчатой формы, диаметрального размера в плане, можно сделать вывод о том, что для изготовления данной детали оптимальным вариантом будет применение технологии горячей штамповки на КГШП в открытом штампе, с применением индукционного нагрева, так как это позволит увеличить коэффициент использования материала и производительность, а также позволит исключить обязательное участие в процессе высококвалифицированного рабочего.

      Последовательность  технологических операций для изготовления поковки детали втулка приведена ниже. Разделка сортового проката на заготовки для штамповки на сортовых ножницах. Нагрев заготовки до ковочных температур в индукционном нагревателе. Штамповка на КГШП за два перехода включающая в себя предварительную осадку и основную формообразующую операцию. Обрезка облоя и пробивка отверсия. Контрольные операции. Маркировка. 

 

       2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОКОВКИ 

      Исходной  информацией для разработки чертежа  поковки является чертеж детали с  указанными на нем размерами, предельными отклонениями размеров, шероховатостью поверхностей, маркой материала и установленными базами. 

      2.1 ВЫБОР ПОВЕРХНОСТИ РАЗЪЕМА ШТАМПА 

      Поверхность разъема – это поверхность, по которой сопрягаются верхняя и нижняя часть штампа. При выборе положения разъема необходимо выполнить условия:

      - поковка должна свободно извлекаться  из верхней и нижней половины  штампа, для чего линия разъема  располагается в плоскости сечения  поковки с наибольшим периметром, что обеспечивает наименьшую  глубину и наибольшую ширину ручья, облегчает очистку ручья от окалины;

      - взаимное расположение поверхности  разъема и поковки должно исключать  поднутрения на боковых поверхностях  поковки;

      - ручьи ориентируют таким образом,  чтобы их заполнение осуществлялось за счет осадки, а не выдавливания;

      - должна быть обеспечена возможность  контроля сдвига штампа, удобство  визуального осмотра;

      - не должно быть перерезания  волокон;

      - поверхность разъема должна быть  расположена так, чтобы обеспечить  более экономичную обработку ручьев штампа, а также простейшую конфигурацию обрезной матрицы.

      Учитывая  эти рекомендации, а также результаты программы «RAZ UKL», наружную поверхность разъема принимаем на расстоянии 29,5 мм от нижнего, контура детали. Внутренняя поверхность на расстоянии 22,7 мм от нижнего контура детали.

      2.2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 

      Деталь: «втулка»

      Штамповочное  оборудование – КГШП.

      Нагрев  заготовок индукционный.

      Исходные  данные по детали:

      Материал  – Сталь 45, сталь качественная, конструкционная, углеродистая.

      Масса детали – 1,87кг.

      Исходные  данные для расчета:

      1.Масса поковки (расчетная)

      величина  расчетной массы детали вычисляется по формуле:    

                          Gпр = Gд * Кр;                                                               (1)

      где Gпр – расчетная масса поковки;

               Кр =1,5…1,8 – расчетный коэффициент [3,стр31];

                                        Мпр =1,87 * 1,8 = 3,36.

      2.Класс  точности – Т4 [3,стр28,табл.19], так штамповка на КГШП, в открытом штампе.

      3.Группа  стали – М2. [3,стр.8,табл.1].

      4. Степень сложности

      размер  описывающей фигуры (цилиндр), мм:

      диаметр 142*1,05=149,1мм;

      высота 50*1,05=52,5мм.

      Масса описывающей фигуры:

                           m = V*ρ;                                                                        (2)

      где V – объем описывающей фигуры, мм;

              ρ – плотность стали, равная 7,85 г/см3.

      Объем описывающей фигуры находится по формуле (3):

                           V = π*d2 /4* h;                                                            (3)

      где d – диаметр описывающей фигуры;

              h – высота описывающей фигуры.

                  V = 3,14*149,12 /4*52,5=916187 мм;

                  m = 916187 * 7,85 * 10-6 = 7,19 кг.

      Степень сложности детали определяется по отношению  Gп / Gф, где Gп – расчетный вес поковки,  Gф – вес описанной фигуры. В данном случае это отношение будет иметь вид:

                   Gп / Gф = 3,36 / 7,19 = 0,467.

      Так как значение попадает в интервал 0,32…0,63, степень сложности С2 [3.стр29.прл2].

      5. Конфигурация  поверхности разъема  плоская.

      6.Исходный  индекс 13. 

      2.3 ПРИПУСКИ И КУЗНЕЧНЫЕ НАПУСКИ        

      Припуск -  это предусмотренное одностороннее  увеличение размера заготовки по сравнению с наименьшим размером детали, обеспечивающие после обработки резанием требуемые, проставленные на чертеже размеры детали и шероховатости по поверхности. 

      2.3.1. Основные припуски на размеры [3.табл.2]:

      2мм  – диаметр 142 и чистота поверхности  6,3;

      1,8мм  – диаметр 90 и чистота поверхности  6,3;       

      2мм  – диаметр 111 и чистота поверхности  6,3;      

      1,8мм  – диаметр 80 и чистота поверхности  2,5;

      2,2мм  – толщина 50 и чистота поверхности  0,63;

      1,7мм  – толщина 13 и чистота поверхности  6,3. 

      2.3.2. Дополнительные припуски, учитывающие:

      смещение  по поверхности разъема штампа – 0,3 мм [3.табл.4]; отклонение от плоскостности  - 0,4мм [3. табл.5]. Результат расчета припусков программой «PRIP» приведен на следующей странице. Некоторое различие результатов расчета припусков обусловлено тем, что при вводе данных в программу, мы не закладывали в нее данные о степени точности и группе стали.  

      2.3.3. Штамповочные уклоны.

      Так как для штамповки применяется  КГШП, штамповочный уклон по наружной поверхности принимают 5°, по внутренней поверхности 7°. 

      2.4 РАЗМЕРЫ ПОКОВКИ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ  ОТКЛОНЕНИЯ 

      Допуск  – отклонение размера поковки  от номинального, обусловленное неточностью изготовления, недоштамповкой, износом ручья штампа и т.д. Допуск зависит от массы поковки, степени сложности, группы стали, и размеров поверхностей.

      2.4.1. Размеры поковки.

      Диаметр 142+(2+0,3)*2=146,6мм=147мм;

      Диаметр 90+(1,8+0,3)*2=94мм;

      Диаметр 111+(2+0,3)*2=115,6мм=116мм;

      Диаметр 80-(1,8+0,3)*2=75,8мм=76мм;

      Толщина 50+(2,2+0,4)*2=55,2мм=55мм;

      Толщина 13+(1,7+0,4)*2=17,2мм=17мм; 

      2.4.2. Радиусы закруглений 2,5мм (минимальный), принимаем 3мм. 

      2.4.3. Допускаемые отклонения размеров [3.табл8].

      диаметр 147+1,8-1,0;

      диаметр 94-0,9+1,6;

      диаметр 116 +1,8-1,0;

      диаметр 76+0,9-1,6;

      толщина 55+1,6-0,9;

      толщина 17+1,6-0,9. 

      2.4.4. Неуказанные предельные отклонения  размеров.

      Допуск  размеров, не указанных на чертеже  поковки, принимается равным 1,5 допуска  соответствующего размера поковки с равными допускаемыми отклонениями. 

        2.4.5. Неуказанные допуски радиусов закруглений, устанавливается по [3. табл.17]. 

      2.4.6. Допускаемая величина остаточного облоя 0.8 мм [3. п.5.8]. 

      2.4.7. Допускаемое отклонение от плоскостности 0,8 мм [3. табл.13]. 

      2.4.8. Допускаемое отклонение от концентричности  пробитого отверстия относительно  внешнего контура поковки 1,0 мм  [3. табл.12]. 

      2.4.9. Допускаемое смещение по поверхности  разъема штампа 0,6 мм [3. табл. 9]. 

      2.4.10. Допускаемая величина высоты заусенца 3 мм [3. п. 5.10.]. 

      2.5 НАЗНАЧЕНИЕ НАПУСКОВ 

      К кузнечным напускам относятся штамповочные уклоны, внутренние радиусы скруглений. Их назначают с целью увеличения стойкости рабочих элементов  штампов.    

      Практически возможно получение отверстий с диаметром основания

                           dосн min = 24 + 0,0625 * Dп,                                                  (4)

      где  Dп – диаметр поковки, мм.

                           dосн min = 24 + 0,0625 * 148,5 = 33,28 мм.                             

      следовательно, два глухих отверстия на кольцевом выступе поковки диаметром 10 мм нужно закрыть напуском, они будут получены в результате последующей механической обработки. Результат расчета программой «NAP» минимально  возможного диаметра прошиваемого отверстия приведен на следующей странице и совпадает с рассчитанным в ручную. 

      Наметка верхним знаком делается глубиной hв ≤ dосн; нижним знаком – глубиной hн ≤ 0,8 dосн.

          hв ≤ 76 мм;      

          hн ≤ 60,8 мм.

      Назначение  внутренней и внешней поверхности разъема проводится по результатам программы «RAZ UKL». На основании этих данных внутренняя поверхность разъема на расстоянии 22,7 мм от нижнего контура детали. Внешняя поверхность разъема на расстоянии 29,5 мм.

      Определим вид перемычки, так как отношение h / dотв < 0,4 то вместо плоской наметки используем наметку с раскосом, при этом толщина перемычки Smin =0,65*S, а Smax =1,35*S, где S следует определять так же, как и для плоской перемычки по формуле

       S = 0,45 * √ dосн – 0,25 * h – 5 + 0,6;                                                    (5)

      а d1 – по формуле

      d1 = 0,12 * dотв + 3.                                                                            (6)

      S = 0,45 * √ 76 – 0,25 * 27 – 5 + 0,6 = 4,2 мм;

      Smin = 0,65 * 4,2 = 2,73 = 3 мм;

      Smax =1,35 * 4,2 = 5,67 = 6 мм;

      d1 = 0,12 * 76 + 3 = 12,2 = 12 мм.

      Радиусы закруглений вершин наметок в  окончательном ручье рекомендуется определять по формуле

      r1 = r  + 0.1 * h + 2;                                                                            (7)

      где r – внутренний радиус закруглений данной поковки, а h – глубина наметки.

      

                                                                рис.1 - Перемычка

      r1 = 6  + 0.1 * 27 + 2 = 10 мм;

      Чертеж  полученной поковки приведен в приложении Б.           

      2.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ПОКОВКИ 

      Определение массы поковки производится путем, умножения объема поковки на плотность стали.

                                 m = V*ρ.                                                               (8)

Проектирование штампов