Ковка и штамповка металлов

Ковка и штамповка применяются как для получения заготовок, так и готовых изделий.

Ковка металлов это процесс деформирования горячей заготовки бойками молота или пресса (рис. 3.1, г). Полученное изделие поковкой. Ковка применяется в штучном и мелкосерийном производстве. При ковке крупных поковок массой до 200 т и более исходными заготовками являются слитки; 2-3т – блюмы; до 1т – сортовой прокат. Массу заготовки из слитка определяют по формуле: G_заг=G_пок + G_приб + G_дн + G_обс + G_уг, где G_приб – масса прибыльной части, составляет 18-22% от массы слитка; G_дн – масса донной части, составляет до 4%; G_уг – масса отхода на угар, составляет 2-3%; G_обс – масса абсечек, в которую входят отходы при прошивке, обрубке концов и д.р. Масса заготовки из проката определяется по формуле:

G_заг=G_пок + G_абс + G_уг.

Для получения качественной поковки слитки и прокат подвергаются укову, который определяется отношением площадей поперечного сечения заготовки и поковки. При операциях вытяжки у=F_заг/F_пок, при осадке у=F_пок/F_заг.

При ковке слитков уков составляет 2-3,75; проката – 1,25-1,4. После определения типа и массы заготовки и величины укова, приступают к расчету размеров заготовки. Размер слитков указывается в ведомственных нормалях, проката в ГОСТах.

Технологический процесс ковки разрабатывают по чертежу поковки, составленного на основании чертежа детали. Размеры поковки увеличивают на величину припуска на механическую обработку и предусматривают допуск на ковку. Иногда конфигурацию поковки упрощают за счет напуска. При подсчете объема заготовке к номинальному размеру поковки добавляют часть допуска и напуск.

Технологический процесс ковки включает различные операции: осадка, протяжка, пробивка, гибка, разгонка, скручивание, рубка и т.д. При осадки площадь поперечного сечения F заготовки увеличивается за счет уменьшения её высоты H. Во избежание продольного изгиба при ковке размеры заготовки берутся из расчета, H≤2,5Д. Вследствие действия сил трения по контактным поверхностям боковая поверхность поковки приобретает бочкообразную форму. Осадкой получают оковки для зубчатых колес, фланцев, турбинных дисков и т.д. Осаживание части заготовки называют высадкой.

При протяжке увеличивается длина заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжка с поворотом заготовки на 90° называется протяжкой с кантовкой. Протяжкой получают волки, тяги, гильзы и т.д.

Для получения сквозных и глухих отверстий применяют прошивку. Отверстие диаметром до 400мм прошивают сплошными прошивнями, свыше 400мм – пустотелыми Прошивка сопровождается отходом метала (выдрой). Прошитые заготовки подвергают раскатке по диаметру или протяжке на оси.

Для получения поковок с изогнутой осью применяют операцию гибки. Во избежание складок по внутреннему контуру и трещин по наружному контуру угла изгиба подбирают соответствующий радиус закругления.

Операция разгонка применяется для увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения толщины. При скручивании часть заготовки поворачивается вокруг оси. Применяется при изготовлении сверл, коленчатых волов и д.р. Для получения поковок с относительно сложной конфигурации применяются подкладные штампы.

Пример получения поковки кольца с применением различных операций показан на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема операций ковки при получении поковки кольца из катаной заготовки: 1 – осадка; 2 – отделка по диаметру; 3 – прошивка; 4 – правка; 5 – раскатка; 6 – правка торцов.

Основным оборудованием для ковки являются молоты и прессы. Для получения мелких поковок массой от 0.3 до 20кг применяют пневматические молоты. С массой падающих частей G=50-1000кг и энергией удара Е=0,8 –27, 5кДж. Для получения поковок массой от 20 до 350кг применяют паровоздушные молоты с G=1000 -- 8000кг и Е=196кДж. Для изготовления поковок массой от 0,65 до 200т применяют гидравлические прессы усилием P=5 – 150 МН и более. При подборе молота для ковки величину G определяют по формуле G_пч=σ*F/1000 (т), где σ предел прочности при растяжении метала при температуре конца ковки (МПа), F площадь проекции поковки на плоскость бойка в конце ковки, м². Небходимое условие пресса для ковки выбирают равным G_пч молота умноженному на тысячу.

При горячей объемной штамповке материал заготовки, деформируясь под давлением заполняет полость штампа (рис. 3.1,д). Течение металла ограничивается поверхностями полостей и выступов в штампе. По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ: возможность получения сложных поковок без напусков и в три четыре раза меньшими допусками; высокая производительность и более низкая трудоемкость процесса.

Однако штампы являются дорогим инструментом, поэтому штамповку применяют в серийном и массовом производстве. Наиболее рационально штамповкой получать поковки массой 20-30кг.

В зависимости от конструкции штампов штамповка делится на открытую и закрытую. При открытой штамповке образуются переменный зазор между нижней и верхней половинками штампа. В этот зазор вытесняется заусенец (облой), при этом полость штампа целиков заполняется металлом. Открытой штамповкой получают поковки всех типов.

При закрытой штамповке полость штампа в процессе деформирования остается закрытой, заусенец при этом не образуется. Объемы заготовки и поковки должны быть строго равны. При закрытой штамповке металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластические сплавы. К закрытой штамповке относятся штамповка выдавливанием и прошивкой. Технологический процесс штамповки определяется конфигурацией и размерами деталей. Разработку чертежа поковки выполняют в следующей последовательности:

– выбор поверхности (плоскости, разъема штампа);

– установление припусков и допусков;

– установление штамповочных уклонов на вертикальной стенки;

– установление радиусов закруглений на пересекающиеся поверхности;

– проверка возможности изготовления изделия из нескольких частей с последующей их сваркой;

В целом при конструировании поковок стараются обеспечить наиболее простой разъем в штампах, удобства извлечения поковки, минимальные припуски и допуски. При этом пользуются справочными данными, нормалями и ГОСТами.

Исходной заготовкой для штамповки в большинстве случаев является прокат (сортовой, профильный, периодический).

Массу заготовки определяют: G_заг=G_пок+G_З + G_уг, где G_З – масса заусенца: G_З = (0,75 – 0,8)f_зкP_п, P_п – периметр поковки в плоскости разъема; f_зк – площадь поперечного сечения заусенечной канавки. Массу угара берут G_у=0,5-2%. При закрытой штамповке массу заусенца не учитывают. Размеры заготовок рассчитываются в зависимости от способа штамповки и вида ручьев.

Штамповка выполняется на штамповочных паровоздушных молотах, кривошипно-горячештамповочных прессах (ГКШП) и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). При штамповке на молотах поковки простой формы получают в штампах с одной полостью, т.е. в одноручьевом штампе. Для получения поковок сложной формы используют заготовки из профильного и периодического проката или предварительно подготовленные ковкой, вальцовкой в ковочных вальцах.

Однако чаще всего сложные поковки получают в многоручьевых штампах. Ручьи таких штампов подразделяют на заготовительные и штамповочные. К первым относятся протяжной, подкатной, пережимной, формовочный, гибочный и т.д. Ко вторым – предварительный (черновой) и окончательный (чистовой).

При выборе ручьёв и переходов при открытой штамповке на КГШМ необходимо учитывать следующие особенности:

- применение подкатных и протяжных ручьёв на прессе нерационально из-за постоянства хода ползуна пресса;

- при штамповке на прессе металл хуже, чем на молоте заполняет рельеф формы по высоте. Поэтому для обеспечения формования процесс штамповки проводят в два-три перехода, например в осадочном, формовочном окончательном ручьях.

На КГШП широко применяется штамповка выдавливанием (клапаны, тонкостенные чашки). Штамповка в закрытых штампах ведется в два-три перехода. Конструкция закрытых штампов исключает образование облоя. Такие штампы бывают весьма сложной конструкции.

При штамповке на ГКМ основными операциями является высадка и прошивка. Высадкой получают поковки болтов, рычагов и др. Во избежание продольного изгиба заготовки берутся при определенном соотношении L/D. При высадке в одном ручье L ≤ (2,5-3)D. При многопереходной высадке L ≤ 12D. Прошивкой на КГМ получают кольца, фланцы и др. При этом применяют различные ручьи: прошивочные, формовочные, отрезные и т.д. Основные параметры и размеры штамповочных молотов, КГШП, ГКМ определяются ГОСТами.

Наряду с обычной штамповкой применяют специализированные процессы получения поковок:

- штамповка в ковочных вальцах и ротационноковочнных машинах;

- раскатка и накатка колец, шестерён и др.;

- высадка на электровысадочных автоматах.

Для получения поковок из высоколегированных и труднодеформируемых сплавов применяют подогреваемые и изотермические закрытые штампы.

После штамповки поковки подвергаются отделочным операциям: обрезке заусенцев, правке, очистке от окалины, термообработке, калибровке, контролю качества. В последние годы уделяется большое внимание автоматизации и механизации штамповки. Созданы установки с программным управлением, автоматизированные комплексные линии и роботокомплексы.

Холодную объёмную штамповку ведут без нагрева заготовок. Разновидностью объёмной штамповки является выдавливание, высадка, формовка.

Выдавливание осуществляется на кривошипных или гидравлических прессах в штампах, имеющих пуансон и матрицу. Исходной заготовкой является часть прутка или листа. Существуют различные схемы выдавливания: прямое (получают болты, клапаны и т.п.), обратное (получают полые детали), боковое (получают тройники, крестовины и т.д.), комбинированное (сложные изделия).

Основной особенностью выдавливания является возможность получения высоких степеней деформации без разрушения заготовки, которые можно характеризовать показателем К = F₀/F₁. Для мягких металлов К>100.

Возможность получения больших деформаций объясняется тем, что при выдавливании имеет место всестороннее неравномерное сжатие, при котором скользящие относительно друг друга атомные слои дополнительно прижимаются друг к другу, что затрудняет развитие трещин. Усилие деформирования при выдавливании определяют как произведение удельного усилия на площадь поперечного сечения. Приближённо удельное усилие р выдавливания определяют по формуле:

р = а∙σ_в∙lnК,

где а – коэффициент, равный 3-5, зависит от свойств, условий деформирования. Для уменьшения усилия применяют смазки, выбирают схему формования, при которой исключается образование застойных зон и уменьшается влияние трения.

Холодная высадка выполняется на высадочных автоматах. Исходным материалом является пруток или проволока. Штампуют заготовки диаметром 0,5-40 мм и различные детали с местным утолщением (заклёпки, болты, винты, гвозди, шарики, ролики, накидные гайки, звёздочки и т.д.). При этом резьбу получают на автоматах накаткой. Высадочные автоматы имеют производительность 20-400 дет/мин. Средний коэффициент использования металла 95%.

Холодная формовка производится аналогично горячей штамповке. Однако при холодной штамповке возникают более высокие усилия, материал имеет низкую формуемость, вследствие его упрочнения и действия сил трения. Применяется холодная штамповка для получения в основном деталей из цветных металлов.

Технико-экономическая эффективность штамповки наиболее чётко проявляется в снижении расхода металла и уменьшении массы заготовок по сравнению с другими методами обработки. Коэффициент использования металла при получении деталей на металлорежущих станках из сортового проката не превышает 0,3, из поковок, полученных свободной ковкой – 0,33-0,38, а из штамповок – 0,44-0,52. Стоимость штампованных деталей с последующей обработкой резанием в 2-2,5 раза ниже стоимости тех же деталей, полученных резанием из других заготовок.

Экономическая целесообразность перехода от свободной ковки к штамповке может быть определена в зависимости от программы выпуска по формуле:

,

где П – минимальная программа выпуска поковок, при которой штамповка выгоднее ковки, С_ш себестоимость штампа, С_м.п. и С_м.ш. – себестоимость метала на поковку и штамповку, Э_к и Э_м – экономия трудовых и прочих затрат соответственно по кузнечному производству и механическому цеху при переходе с поковки на штамповку.

Важным технико-экономическим показателем штамповочного производства является стойкость штампов, которая выражается суммарным количеством поковок, полученных в нем до полного износа.

Удельный расход на инструмент в себестоимости поковки С рассчитывают по формуле:

,

где с – суммарные расходы на штамповочный инструмент (стоимость материала, обработки, ремонта, переналадки), руб., Т – стойкость штампа, в штуках.

Стойкость штампов зависит от обрабатываемого материала, его толщины, характера операций, применяемой смазки и материала рабочих частей штампа. В среднем стойкость вырубных штампов составляет 500-600 тысяч, а вытяжных – 2-3 тысяч деталей.

В среднем величина С в крупносерийном производстве поковок составляет 5-8%, однако в ряде случаев при штамповке сложных поковок или поковок из труднодеформируемых сплавов величина С может достигать 20-30% и более.

При холодной листовой штамповке (рис 3.1, д) исходными заготовками служит лист, полоса или лента, обычно толщиной не более 10мм. Металлы и сплавы заготовок должны иметь высокую пластичность.

Листовая штамповка имеет ряд достоинств:

- возможность получения деталей с минимальной массой при заданной их прочности;

- высокая точность и качество поверхности;

- высокая производительность(30-40 тысяч деталей в смену с одной машины);

- высокий уровень автоматизации и механизации технологического процесса.

При листовой штамповке различают разделительные и формоизменяющие операции.

Разделительные операции отрезка, вырубка. При формоизменяющих операциях (гибка, вытяжка, формовка) пластическому деформированию подвергается лишь определенный участок заготовки.

Качественное формование деталей происходит при определенных геометрических параметрах инструмента, зазорах и соотношениях между размерами изделия d и заготовки D. Формоизменение при вытяжки (рис 3.1, д) оценивают коэффициентом вытяжки К_в=D/d, допустимое значение которого составляет 1,8-2,1. Усилие вытяжки определяют из выражения Р=πSσ_В(D-d)в, где в=1,1-1,2 для первого перехода; в=1,6-1,9 для последующих переходов вытяжки с отжигом; в=2,3-2,7 для последующих переходов без отжига.

Для листовой штамповки в условиях крупносерийного производства применяют штампы сложных конструкций, обеспечивающих выполнение нескольких операций за один ход ползуна пресса.

В мелкосерийном производстве широко применяют штамповку эластичными средами (резиной, давильные работы, импульсную штамповку взрывом, электрогидравлическая, электромагнитная).

Наиболее часто для листовой штамповки применяют кривошипные (простого и двойного действия) и гидравлические прессы. Прессы оборудуются устройствами для обеспечения автоматизации и механизации как штамповочных, так и вспомогательных операций.

Оценка технико-экономической эффективности процессов обработки металлов давлением производится последующим основным показателям:

- объему выпускаемой продукции (в тоннах, по номенклатуре и в денежном выражении) за определенный календарный период (месяц, год), съему продукции с 1м² производственной площади, выходу годного, расходу энергии и себестоимости.

Технико-экономические показатели зависят от правильности построения и степени механизации и автоматизации технологического процесса, строгого соблюдения технологической дисциплины, организации производства.

Объем выпускаемой продукции на данных площадях и оборудовании можно увеличить за счет уменьшения его простоя, связанного с ремонтом, сменой рабочего инструмента (прокатных волков, штампов), за счет механизации трудоемких работ, сокращение времени нагрева заготовок, организации непрерывных процессов обработки.

Своевременный ремонт оборудования, применение высокопрочных износостойких материалов для изготовления волков прокатных станов, штампов, применение смазочно-охлаждающих средств и безокислительных методов нагрева позволяют повысить объем выпускаемой продукции.

Весьма важный показатель – выход годного – характеризует использование металла в процессе производства и исчисляется как отношение расчетной массы готовой продукции (поковки, проката) к массе исходной заготовки. Т.к. в себестоимости проката, поковок, штамповок и т.п. основная доля затрат падает на материалы, то главной задачей производства является экономия металла.

Дата добавления: 2014-01-07