Объемная штамповка

                          Содержание

1.        Объёмная штамповка

1. Введение
2. Объемная штамповка
3. Технологический процесс изготовления
4. Нагрев металлов перед обработкой давлением
5. Нагревательное устройство
6. Оборудование для горячей объемной штамповки
7. Список использованной литературы

1.1     Штамповка - способ обработки металлов давлением, при котором течение металла ограничено поверхностями полостей и выступов штампа. Верхняя и нижняя части штампа образуют замкнутую полость по форме изготовляемой детали – штамповки. В зависимости от формы заготовки (лист, прокат и т. д.), оборудования и технологических приемов различают объемную штамповку и листовую штамповку. Кроме того, штамповку можно осуществлять с нагревом и без нагрева. Прообразом штамповки можно считать чеканку монет. Широкое применение процесса штамповки началось в конце XVIII – начале XIX вв. в связи с переходом на промышленный выпуск изделий, в частности первый патент на изготовление штампованием латунных гильз был выдан в 1796 (Германия). С появлением паровых машин на штамповочных прессах стали осуществлять различные пробивные и вырубные операции, например пробивку отверстий под заклепки. Наибольшее развитие штамповка получила в середине ХХ в. с ростом серийного и массового производства в приборо- и машиностроении, радиоэлектронной промышленности и других отраслях, так как является в десятки раз производительнее ковки. Штампованные детали имеют в 2-3 раза меньшие припуски на обработку, чем кованные, то есть выше процент использования металла. Штамповку осуществляют на молотах с массой падающих частей 0,5-30 т, кривошипных горячештамповочных прессах с усилием от 6 до 100 Мн (600-10 000 тс), гидравлических прессах с усилием до 750 Мн (75 000 тс), горизонтально-ковочных машинах, кузнечно-штамповочных автоматах, гидровинтовых пресс-молотах. Чтобы сократить отход металла, уменьшить последующую обработку применяют безоблойное штампование. При горячей штамповке на молотах окалина удаляется в промежутках между первыми ударами. На прессах штамповку выполняют за один ход. В связи с этим применяют так называемую безокислительный нагрев заготовок (обычно прокат), например в индукционных печах. Это обеспечивает получение изделий почти без окалины. Труднодеформируемые материалы штампуют, как правило, на гидравлических прессах в штампах, нагретых до температуры обрабатываемого материала (например, для титановых сплавов до 800 С), - так называемая изотермическая штамповка.

Для обеспечения более высокой чистоты поверхности, большей точности размеров изделия применяют холодную штамповку, процесс которой аналогичен горячей штамповке, но исключает нагрев.

Листовая штамповка – способ получения тонкостенных изделий плоской или пространственной формы. Тонколистовой материал (до 4 мм) штампуют без нагрева, толстолистовой (свыше 4 мм) – с нагревом. Получаемые этим способом детали имеют точные размеры и обычно не нуждаются в дальнейшей обработке резанием. В мелкосерийном и серийном производствах применяют универсальные машины и оснастку; в крупносерийном и массовом производствах используют многооперационные штампы. Штамповку выполняют на кривошипных прессах с усилием 63-50 000 кн (6,3-5000 тс), с числом ходов от 5 до 15 в мин, на листоштамповочных автоматах с усилием 50-40 000 кн (5-4000 тс), с числом ходов до 120 в мин, на гидравлических вытяжных прессах с усилием от 8 до 200 Мн (800 – 20 000 тс). В массовом производстве особое значение при листовой штамповке приобретают использование комбинированных штампов, механизация и автоматизация целых участков, автоматические линии.

При производстве однотипных деталей из листа (толщина алюминиевого листа 1,5-2 мм, стального – 0,5-0,6 мм), в частности в авиационной промышленности, большое распространение получила так называемая штамповка резиной, позволяющая удешевить инструмент, упростить конструкцию пресса. На гидравлическом прессе простого действия укрепляется подушка из резины или другого упругого материала в металлическом коробе, установленном на подвижных частях пресса. Нижний боек штампа имеет форму штампуемой детали. Пока штампуются одни детали, подготавливают новые заготовки.

При гидравлической вытяжке, являющейся также разновидностью листовой штамповки, деформирование заготовки осуществляется непосредственно жидкостью.

В 50-х годах ХХ века разработаны и начали успешно внедряться принципиально новые технологические процессы, позволяющие обрабатывать труднодеформируемые материалы (жаропрочные стали, титановые, молибденовые, вольфрамовые и другие сплавы).

При взрывном штамповании ударная волна, возникающая при сгорании заряда взрывчатого вещества, деформирует заготовку, придавая ей нужную форму. Вследствие кратковременности процесса (мсек – мксек) штампы можно изготовлять не только из дешевых малоуглеродистых сталей, но и из таких материалов, как бетон, дерево, пластмасса и так далее.

Высокоскоростная штамповка – способ обработки труднодеформируемых материалов с высокой точностью на молотах, скорость падающей части (бабы) которых при ударе достигает 40-60 м/сек. У обычных молотов не выше 8 м/сек. Масса соударяющихся частей у высокоскоростных молотов при одинаковой энергии удара во много раз меньше, чем у обычных молотов.

1.2 Объемная штамповка

           Объемная штамповка, технологический процесс, заключающийся в изменении простейших объемных заготовок (цилиндрической, призматической и другой формы) в более сложные изделия, форма которых соответствует полости специализированных инструментов – штампов. Объемная штамповка как процесс перераспределения металла заготовки происходит в результате пластической деформации.

Основные операции объемной штамповки – осадка, высадка, протяжка, выдавливание, гибка, плющение, калибровка, образование выступов, утолщений, углублений, осуществляемые на кузнечно-прессовых машинах – молотах, прессах и машинах специального назначения. Из штампованных поковок после обработки резанием и термической обработки получают различные детали: шатуны, коленчатые валы, рычаги, зубчатые колеса, лопатки турбин, крепежные детали, шары, ролики и кольца подшипников и др.

Различают холодную и горячую объемные штамповки.

Холодная штамповка осуществляется без нагрева. Исходный материал – калиброванные прутки, нарезаемые на мерные (штучные) заготовки, или проволока в бунтах. Масса получаемых изделий от нескольких г до нескольких кг; точность по 3-2-му классам; шероховатость поверхности соответствует 7-10-му классам чистоты. Холодной объемной штамповкой получают ответственные детали с высокими и стабильными механическими свойствами, что объясняется отсутствием рекристаллизации в металле и упрочнением. Так как заготовки не нагреваются, на поверхности поковок не происходит образование окалины, обезуглероживания, обесцинкования и тому подобного, что улучшает качество поковок в целом и сохраняет припуски на дальнейшую обработку. В ряде случаев поковки не требуют дополнительной обработки, являясь готовыми деталями (коэффициент использования металла составляет 1). Однако для осуществления холодной объемной штамповки требуются значительные усилия – до 2500 Мн/м2 (1 Мн=100 тс) и более, что отрицательно влияет на стойкость штампов. Существенно снизить усилия (в 10-15 раз) позволяет нагрев заготовок, то есть горячая объемная штамповка.

Горячая объемная штамповка осуществляется с нагревом до температуры 200-1300 С в зависимости от состава сплава и условий обработки. Исходный материал – прокатные прутки, разделенные на мерные заготовки, равные по объему будущей поковке (с учетом неизбежных отходов). Масса получаемых изделий от нескольких г до 6-8 т; точность размеров поковок зависит от их массы и конфигурации и может быть повышена последующей холодной калибровкой; шероховатость поверхности соответствует 3-7-му классам чистоты. Процесс горячей объемной штамповки аналогичен по физической сущности свободной ковке, но осуществляется в штампах. Горячей объемной штамповкой получают поковки, однородные по структуре, сравнительно высокой точности, сложной конфигурации, которой невозможно добиться при свободной ковке. Однако средний коэффициент использования металла при горячей объемной штамповке 0,5-0,6 (то есть до 50-40 % металла идет в отход), при холодной штамповке этот коэффициент значительно выше.

Штампы для объемной штамповки чаще всего состоят из 2 половин – верхней и нижней или из пуансона и матрицы. Обычно при штамповке на молотах и вертикальных прессах нижняя часть штампа неподвижна, а верхняя подвижна. Объемную штамповку выполняют в открытых штампах – с плоскостью разъема, перпендикулярной направлению штамповки, или в закрытых штампах- с плоскостью разъема по периметру поковки. Открытый штамп отличается простотой устройства и универсальностью применения, но горячая штамповка в нем связана с образованием заусенца, который обеспечивает заполнение сложного рельефа полости штампа. Для размещения заусенца в штампе предусматривается специальная канавка. После штамповки заусенец обрезают в штампе на обрезном прессе. Отход металла при этом составляет 5-20%, иногда достигает 50-80%. В закрытых штампах, применяемых при горячей и холодной объемных штамповках, заусенец либо весьма невелик (не более 1%), либо совсем отсутствует, так как поковка формируется из всего объема металла. Однако эти штампы менее универсальны, например в них нельзя получать поковки в форме шара. В тех случаях, когда нужно получить исходные заготовки достаточно высокой точности по объему, применяют закрытые штампы с компенсаторами – дополнительными полостями, в которые вытекает избыточный металл заготовки. Компенсаторы располагаются в таком месте штампа, в которое металл поступает в последнюю очередь, чтобы предотвратить преждевременное и чрезмерное попадание металла в компенсатор. Однако этот способ неэкономичен, так как металл, поступающий в компенсатор, идет в отход. Другим технологическим приемом при горячей объемной штамповке является применение штамповочных уклонов, которые делают в полости штампов с целью облегчения выталкивания готовых изделий. Поковка получается искаженной формы, например вместо цилиндра – усеченный конус. Обычно в молотовых штампах уклоны 5-7 . Излишек металла на поковке (напуск) также является отходом. Для осуществления объемной штамповки с меньшим уклоном (1-2 ) в штампах применяют выталкиватели: при штамповке на молотах – только нижние, на прессах – верхние и нижние.

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.

1.3 Технологический процесс изготовления

       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.

      1.4 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 1200 С, 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 1100-900 С. Для углеродистых сталей температурный интервал нагрева можно определить по диаграмме состояния в зависимости от содержания углерода. Например, для стали 45 температурный интервал 1200-750 С, а для стали У10 1100-850 С.

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.

Однако с увеличением времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, та как при высоких температурах металл активнее химически взаимодействует с кислородом воздуха. В результате на поверхности, например, стальной заготовки образуется окалина – слой, состоящий из оксидов железа: Кроме потерь металла с окалиной, последняя, вдавливаясь в поверхность заготовки при деформировании, вызывает необходимость увеличения припусков на механическую обработку. Окалина увеличивает износ деформирующего инструмента, так как ее твердость значительно больше твердости горячего металла.

При высоких температурах на поверхности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и углерод: происходит так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного слоя в отдельных случаях достигает 1,5-2 мм.

Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восстановительной атмосфере.

1.5 Нагревательное устройство

Одним из наиболее распространенных нагревательных устройств является камерная печь.

В камерной печи заготовки 2 укладывают на под 1 печи через окно 4 и после прогрева до заданной температуры извлекают через то же окно. Рабочее пространство печи нагревают сжиганием газа с помощью горелок 3, служащих для смешения газа с воздухом и подачи смеси в печь. Продукты сгорания отводят через дымоход 5 в рекуператор – теплообменник, в котором поступающий к горелкам воздух нагревается теплотой горячих уходящих газов. Подогрев воздуха до температуры 350-500 С позволяет экономить до 25 % топлива. Камерные печи периодического действия применяют на производств, где часто меняется типоразмер нагреваемых заготовок. Для нагрева очень крупных заготовок используют камерные печи с выдвижным подом. Наиболее распространены камерные печи с неподвижным подом, применяемые в кузнечных цехах. Рабочее пространство этих печей выполняют в форме параллелепипеда длиной 0,6-2 м, шириной 0,6-1,5 м и высотой до 1 м. производительности печей – 70-600 кг/ч, расход тепла – 5000-7000 кДж/кг.

Камерная нагревательная печь.

1.6   Оборудование для горячей объемной штамповки

Для горячей объемной штамповки применяют молоты, кривошипные горячештамповочные прессы, горизонтально-ковочные машины, гидравлические прессы, винтовые прессы и машины для специализированных процессов штамповки.

Кривошипный горячештамповочный пресс

Кинематическая схема приведена на рисунке.

Кинематическая схема кривошипного горячештамповочного пресса

Электродвигатель 4 передает движение клиновыми ремнями на шкив 3, сидящий на приемном (промежуточном) валу 5, на другом конце которого закреплено малое зубчатое колесо 6. это колесо находится в зацеплении с большим зубчатым колесом 7, свободно вращающимся на кривошипном валу 9. С помощью пневматической фрикционной дисковой муфты 8 зубчатое колесо 7 может быть сцеплено с кривошипным валом 9; тогда последний придет во вращение. Посредством шатуна 10 вращение кривошипного вала преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна 1.

Для остановки вращения кривошипного вала после выключения муфты служит тормоз 2. Стол пресса 11, установленный на наклонной поверхности, может перемещаться клином 12 и тем самым в незначительных пределах регулировать высоту штампового пространства. Для облегчения удаления поковки из штампа прессы имеют выталкиватели в столе и ползуне. Выталкиватели срабатывают при ходе ползуна вверх.

Кривошипные прессы имеют постоянный ход, равный удвоенному радиусу кривошипа. Поэтому в каждом ручье штампуют за один ход пресса, и производительность штамповки на прессах выше, чем на молотах. Наличие постоянного хода приводит к большей точности поковок по высоте, а высокая жесткость конструкции пресса, отсутствие ударов и сотрясений делают возможным применение направляющих колонок у штампов, что практически исключает сдвиг. Штамповочные уклоны у поковок также меньше, так как на прессах предусмотрены выталкиватели. При штамповке на кривошипных прессах имеются большие возможности для механизации и автоматизации процесса, чем при штамповке на молотах.

Наряду с перечисленными преимуществами штамповка на кривошипных прессах имеет и недостатки. Ввиду жесткого хода ползуна на прессах при многоручьевой штамповке нельзя применять такие ручьи, как протяжной, подкатной и отрезной.

Заготовка перед штамповкой на прессе должна быть полностью очищена от окалины, так как деформация происходит за один ход пресса; при наличии окалины она заштамповывается в поверхность поковки. Стоимость кривошипного горячештамповочного пресса в 3-4 раза выше стоимости эквивалентного по мощности молота.

На кривошипных прессах возможна штамповка всех видов поковок, штампуемых на молотах. Однако при штамповке поковок с удлиненной осью и большой разностью площадей поперечных сечений по длине требуется применение предварительно профилированных заготовок.

Ввиду худшего заполнения полостей при штамповке сложных поковок на прессах применяют большее число ручьев, чем в молотовых штампах. Штампы на прессах не должны смыкаться на величину, равную толщине заусенца, поэтому полость для него делается открытой, в отличии от молотовых штампов.

Благодаря наличию выталкивателей на прессах удобно штамповать в закрытых штампах выдавливанием и пришивкой. Кривошипные горячештамповочные прессы строят усилием 6,3-100 Мн; такие прессы успешно заменяют штамповочные молоты с массой падающих частей 0,63-10 т.

Список использованной литературы

1) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Том 11. Италия - Кваркуш /Глав. Ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. – М.: «Советская Энциклопедия», 197 3. – 608 с.с илл.

2) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Том 13. Конда - Кун/Глав. Ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. – М.: «Советская Энциклопедия», 1973. – 608 с.с илл.

3) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Том 18. Никко - Отолиты /Глав. Ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. – М.: «Советская Энциклопедия», 1974. – 632 с.с илл.

4) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Том 29. Чаган – Экс-ле-бен /Глав. Ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. – М.: «Советская Энциклопедия», 1978. – 640 с.с илл.

5) Марочник сталей и сплавов/ М. М. Колосков, Е. Т. Долбенко, Ю. В. Каширский и др.; Под общей ред. А. С. Зубченко – м.: Машиностроение, 2001. 672 с.: илл.