Физико-механические основы обработки давлением

Для правильного выбора машин, проектирования технологи­ческих процессов и рациональной геометрии инструмента необ­ходимо знание физико-механических основ обработки давлением. Обработка давлением основана на пластичности материалов, т. е. их способности получать пластические деформации. Как упругие, так и пластические деформации осуществляются в твердых телах в результате относительного смещения атомов. При упругих деформациях смещения атомов из положений равновесия неболь­шие и они увеличиваются пропорционально увеличению сил, вызвавших это смещение (закон Гука). С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает до определенного предела, после чего атомы смещаются на рассто­яния, больше межатомных, и остаются в новых положениях устойчивого равновесия. Сумма таких смещений создает пласти­ческую деформацию или же остаточное изменение формы и разме­ров твердого тела в результате действия внешних сил.

Величину формоизменения оценивают степенью деформации ε. Силы взаимосвязи атомов противостоят действию внешних сил, и поэтому твердое тело оказывает сопротивление деформированию. Последнее характеризуют величиной удельного усилия (напря­жения σ), вызывающего пластическую деформацию при данных условиях деформирования. Напряжения и деформации в объеме деформируемого тела рас­пределены неравномерно. Напряжения на поверхностях контакта можно рассчитать методами, известными из теории обработки да­влением. Если нормальное напряжение σ_и (направленное перпен­дикулярно к контактной поверхности) постоянно по всей поверх­ности контакта заготовки 1 с инструментом 2 (рис. 20, а) или заменено его средней величиной σ_ср в случае неравномерного рас­пределения σ_н по контактной поверхности, то дефор­мирующее усилие Р = σ F или Р = σ _cpF, где F — площадь проекции контактной поверхности на плоскость, перпендикуляр­ную к направлению деформирующего усилия. Определение де­формирующего усилия требуется для выбора машин для обра­ботки давлением и для расчета инструмента на прочность.

Сопротивление деформированию и пластичность металла зави­сят от его химического состава, температуры, скорости деформации и схемы нагружения. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию, что часто используют, применяя нагрев заготовок перед обработкой давлением. Повышение ско­рости деформации (изменение степени деформации в единицу вре­мени) снижает пластичность и увеличивает сопротивление де­формированию, однако при очень высоких скоростях (например, при электромагнитной и взрывной штамповке) для многих метал­лов допустимы чрезвычайно большие степени деформации без разрушения. Схема нагружения, создающая всестороннее не­равномерное сжатие заготовки, способствует повышению пластич­ности металла и его сопротивления деформированию. Поэтому, например, в процессах прессования металл проявляет большую способность к пластической деформации, чем при волочении.

Пластичность, а, следовательно, и технологические возмож­ности обработки давлением, следует рассматривать не как неизмен­ное свойство какого-либо материала, а как его состояние, завися­щее от условий обработки. Следует создавать комплекс условий (мелкозернистая структура металла, соответствующие темпера­тура и скорость деформации), в которых некоторые металлы переходят в состояние сверхпластичности.

Процессы обработки давлением в состоянии сверхпластичности, позволяют осуществлять огромные деформации металлов и сплавов при пониженном сопротивлении их деформированию. При этом несколько технологических операций совмещают в одной операции и для обработки давлением используют менее мощное оборудова­ние. Дальнейшее совершенствование технологии обработки давле­нием базируется на глубоком изучении природы пластической деформации.

Холодная пластическая деформация металлов возникает в ре­зультате изменения формы и размеров зерен (внутрикристаллитная деформация) и их относительного перемещения (межкристаллитная деформация). В первом случае деформирование проходит по самим зернам (след 1 на рис. 29 а), во втором — по границам зерен (след 2). Основную роль в процессах пластического формо­образования играет внутрикристаллитная деформация, так как при межкристаллитной холодной деформации возникают повре­ждения и трещины на границах зерен.

Рис.29. Схемы деформирования зерен материала.

Внутрикристаллитное деформирование происходит в боль­шинстве случаев скольжением. При действии на зерно силы Р (рис. 29 б) на плоскостях, наклоненных к направлению этой силы, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна относительно друг друга. При достижении критической величины касательного напряжения произойдет скольжение — параллельное смещение тонких слоев кристаллита относительно смежных слоев по плоскостям скольжения (рис. 28 в), которые наблюдаются на поверхности деформированного металла в виде тонких линий. Более глубоко процесс скольжения можно объяс­нить с помощью теории дислокаций.

Межкристаллитное деформирование — это смещение и взаим­ный поворот зерен относительно друг друга без нарушения сплош­ности металла. В результате холодного деформирования зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, образуя полосчатую микроструктуру. Вместе с зернамивытягиваются и неметаллические включения на их границах образуя волокнистое строение металла. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, изменению механических и физико-химических свойств металла, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастает прочность и твердость, снижается пластичность, ме­няется электропроводность, магнитная проницаемость металла и т. д.

При нагреве холоднодеформированного металла и деформировании нагретого металла в нем происходят разупрочняющие процессы, называемые возвратом и рекристаллизацией. Возврат для чистых металлов проявляется при температуре выше 0,ЗТ_пл и выше. Увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов искаженной кристаллической решетки позволяет им вернуться в положение устойчивого равновесия, и остаточные напряжения в металле снимаются. При этом несколько увеличивается пластич­ность, а полосчатая и волокнистая структура металла не меняется.

Рекристаллизация происходит при увеличении температуры до 0,4Т_пл для чистых металлов. При этом подвижность атомов достаточна для их перегруппировок, приводящих к возникнове­нию и росту новых равноосных зерен с неискаженной кристал­лической структурой взамен деформированных. Наклеп пол­ностью снимается, полосчатая структура переходит в равноосную, а волокнистая структура сохраняется, так как вытянутые не­металлические включения не подвергаются рекристаллизации. Если в процессе деформирования рекристаллизация успевает пол­ностью произойти, деформацию называют горячей.

Обработка давлением существенно влияет на свойства мате­риала. Она позволяет улучшить качество литого металла, так как литая дендритная структура преобразуется в относительно мелкое равноосное зерно. При горячей деформации ликвидируются пу­стоты и микротрещины внутри слитка, уменьшается его ликвация (неоднородность химического состава) вследствие значительных перемещений слоев ме­талла.

Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость металла вдоль его волокон выше, чем поперек), поэтому те­чение металла при обра­ботке давлением следует направлять так, чтобы во­локна совпадали с на­правлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Например, при изготовлении коленчатых валов штамповкой прочность его на 10—15% выше прочности вала, полученного обработкой резанием. Для некото­рых изделий волокнистость нежелательна. В таких случаях ее устраняют частично или полностью многократным изменением направления течения металла в процессе его деформирования (например, прокаткой листов в продольном, поперечном направле­нии и по диагонали). Наклеп при холодной деформации в 1,5—2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности, поэтому в некоторых случаях изделия специально подвергают упрочняющему деформированию. Учитывая явления, оказывающие влияние на качество металла при пластическом деформировании и сознательно управляя ими, можно создавать такие условия обработки давлением, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными качествами.

Холодная штамповка — это формообразование деталей в штам­пах холодной пластической деформацией металла заготовки при комнатной температуре. Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения качественных загото­вок в машиностроительной, приборостроительной, электротехни­ческой и других отраслях промышленности. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления. Производительность автомати­ческой холодной штамповки достигает нескольких сотен заготовок в минуту.

Возможность осуществления процессов холодной штамповки и качество готовых заготовок во многом определяет качество исходного материала. В металлургических процессах выплавки металла нужно обеспечить его необходимый химический состав и отсутствие загрязнений металла. Технологические режимы прокатки и термообработки заготовок должны способствовать по­лучению равномерной мелкозернистой структуры металла. Нужно обеспечить правильные условия хранения металла на складе и каждую новую партию металла проверить на штампуемость. Чем больше штампуемость металла, тем более сложные изделия и с наименьшими трудностями можно получить из него холодной штамповкой.

Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. За­готовки обычно смазывают для снижения усилий штамповки, повышения стойкости инструмента, обеспечения качества поверх­ности и предотвращениятрещин и других дефектов деталей. Для создания прочного разделительного слоя между инструментом и заготовкой поверхность последней покрывают промежуточным слоем (например, фосфатированне, омеднение, цинкование и др.).

В процессах холодной штамповки непрерывно меняется не только форма, но и структура металла и его физико-механические характеристики. Возникающий при этом наклеп металла в некоторых случаях ограничивает возможности формообразования, поэтому процессы холодной штамповки часто выполняют за не­сколько технологических переходов с постепенным приближением к окончательной форме и размерам готовых деталей и с промежу­точным отжигом для восстановления пластических свойств ме­талла.

В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов, которые определяет тип штампуемой заготовки, холод­ную штамповку делят на объемную (сортового металла) и листовую (листового металла). Объемную штамповку выполняют на прессах илиспециальных холодноштамповочных автоматах. Ее основными разновидностями являются: высадка, выдавливание и объемная формовка.

Высадка — это осадка части заготовки, т. е. образование ме­стных утолщений требуемой формы, например, головок болтов, винтов и заклепок. Можно высаживать утолщения, концентричные и эксцентричные относительно оси стержня, как на концевых, так и на срединных участках заготовок. Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка диаме­тром 0,5—50 мм из черных и цветных металлов. Высадкой изгото­вляют стандартные и специальные крепежные детали, а также другие детали массового производства, например, кулачки и зуб­чатые колеса заодно с валом, детали электронной аппаратуры, электрические контакты и т. п. При высадке за один удар отноше­ние длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру должно быть не более 2,5—2,8. В противном случае возможен изгиб, поломка заготовки или об­разование головки непра­вильной формы.

Рис.30. Технологическая схема штамповки на холодновысадочном автомате.

Высадку выполняют на холодновысадочных авто­матах различных кон­струкций. Рассмотрим по­следовательность изготов­ления крепежных деталей на двухударном автомате с цельными матрицами — инструментами в виде углубленных форм (рис. 30). Проволока из бунта (мотка) 1 проходит через правильное устройство 2 и затем калибруется протягиванием через фильеру 3 для получе­ния более точного диаметра и улучшения качества поверхности. Затем она смазывается и валками 4 подается через отрезную ма­трицу 5 до упора 7. Нож 6 отрезает заготовку требуемой длины, определяемой положением регулируемого упора 7, и переносит ее на линию высадки. Предварительный (черновой) инстру­мент — пуансон 9 заталкивает заготовку в матрицу 10 до упора и производит первую высадку (первый удар). Затем на линию высадки перемещается окончательный пуансон 12 и производит вторую высадку (второй удар), после чего выталкиватель 11 уда­ляет из матрицы 10 полуфабрикат 14. Рабочие ходы ползуна 8, перемещения пуансонов на салазках 13 и срабатывание выталки­вателя 11 осуществляются механической системой валов, зубчатых передач и кулачковых механизмов. После высадки следует опера­ция заострения — снятие фаски резцами 15 и накатка резьбы пло­ской подвижной 17 и неподвижной 16 плашками. Канавки на плаш­ках, точно соответствующие профилю резьбы, Заполняются в ре­зультате пластического течения металла при внедрении резьбовых гребней плашек в поверхность заготовки. Получают резьбу по­вышенной прочности и достаточно точной при высокой производи­тельности процесса и экономии металла. Также эффективно накаткой получают различные рифления, шлицы на валах, мелкие зубья и т. п. Подрезку торцов, заострение и накатку резьбы про­изводят на отдельных станках или соответствующими операциями на автоматах-комбайнах, выпускающих окончательно обработан­ные детали. Шестигранные головки болтов получают обрезкой граней у круглых высаженных головок на обрезных автоматах или высадкой готовых шестигранников, однако из-за затруднен­ного течения металла в этом случае снижается стойкость инстру­мента и возможен брак.

Выдавливание — это формообразование сплошных или полых изделий вследствие пластического течения металла из полости штампа через отверстия соответствующей формы. Различают пря­мое, обратное, боковое и комбинированное выдавливания(рис. 31). При прямом выдавливании металл течет из матрицы 2 в направле­нии движения пуансона. При этом зазор между пуансоном и матрицей должен быть небольшим, чтобы в него не вытекал ме­талл. В противном случае образуется торцовый заусенец, который нужно удалять дополнительной обработкой. Этим способом полу­чают детали типа стержня с утолщением (например, клапаны), трубки или полые стаканы с фланцем.

При обратном выдавливании металл течет навстречу пуансону в кольцевой зазор между пуансоном 1 и матрицей 2 (для получения деталей с дном: экраны радиоламп, тюбики и т. п.) или, реже, в отверстие в пуансоне (для получения деталей типа стержня с фланцем). Толщина стенки

Рис. 31. Схемы выдавливания:

а — прямое; б — обрат­ное; в — боковое; г — комбинированное.

выдавленных стальных деталей обычно1,5—5 мм, алюминиевых — более 0,08 мм. При боковом выдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона. Так получают детали с отростками типа тройников, крестовин и т. п. Для их удаления из штампов матрицу делают составной из двух половин с пло­скостью разъема, проходящей через осевые линии исходной за­готовки и получаемого отростка. При комбинированном выдавли­вании металл течет одновременно по нескольким направлениям. При этом возможны различные сочетания схем выдавливания, например, прямое и обратное выдавливание.

Заготовками для выдавливания служит проволока (катанка)и горячекатаныйпруток нормальной точности. Иногда заготовки вырубают из листа. В этом случае требуется хорошее качество среза и устранение отжигом наклепа краев заготовки после вы­рубки, чтобы предотвратить разрывы кромок стаканов при вы­давливании. Выдавливанием получают детали преимущественно цилиндрической или близкой к ней формы, реже — детали с неконцентричными участками в машиностроительной, приборостро­ительной, электротехнической и других отраслях промышлен­ности; например, корпуса автомобильных свечей зажигания, конденсаторных батарей, генераторов, выключателей и т. п. Точность размеров и шероховатость поверхностей деталей соответ­ствуют получаемым при обработке резанием.

Для выдавливания требуются большие удельные усилия, что в некоторых случаях может приводить к поломкам или низкой стойкости инструмента. Эти обстоятельства часто сдерживают более широкое применение процессов выдавливания в производстве.

Стойкость пуансонов и матриц для выдавливания обеспечи­вается применением для их изготовления высококачественных инструментальных сталей и правильным конструированием (без резких переходов с плавными сопряжениями между отдельными участками для облегчения течения металла и снижения удельных усилий выдавливания). Силы трения снижают полированием рабо­чих частей инструмента, применением для каждого типа металла оптимальных покрытий поверхности заготовок и смазок.

Холодная формовка — это формообразование деталей вслед­ствие заполнения металлом полости штампа. Производится в от­крытых штампах с вытеканием излишка металла в специальную полость для образования заусенца (рис. 32, а) и в закрытых штам­пах без образования заусенца (рис. 32, б). После штамповки в от­крытом штампе заусенец обрезают в специальном обрезном штампе. Заусенец имеет толщину h₃ в среднем 1,5—2 мм и его объем возрастает с увеличением различия между конфигурацией исходной заготовки и полости ручья штампа. Следовательно, форма и размеры заготовок должны быть выбраны с учетом наи­меньшего расхода и наилучшего течения металла при заполнении им полости штампа. Возможность вытекания металла в заусенец позволяет снизить требования к точности размеров заготовок, а также облегчает деформирование, вследствие чего удельные усилия при открытой штамповке меньше, чем при закрытой.

Рис. 32. Схемы холодной формовки.

При закрытой штамповке объем заготовки должен быть точно равен объему поковки. Это дает экономию металла, уменьшает последующую обработку деталей, прочность которых выше, чем при открытой штамповке вследствие устранения перерезания волокон, неизбежного при обрезке заусенца. Однако закрытую штамповку применяют реже, чем открытую, из-за большей сто­имости заготовок точного объема, потребности в более мощном оборудовании и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах штампуют в основном детали из цветных металлов.

Холодной формовкой изготовляют пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Детали обычно полу­чают за несколько переходов, последовательно изменяющих форму заготовки, с промежуточным отжигом для снятия наклепа.

Холодной объемной штамповкой получают готовые детали или близкие к ним заготовки, требующие минимальной обработки резанием. В массовом и крупносерийном производствах следует шире применять холодную штамповку, заменяя ею обработку резанием, или комбинировать эти методы изготовления. При холодной штамповке коэффициент использования металла дости­гает 95% вместо 30—40% при обработке резанием. Трудоемкость изготовления болтов на холодновысадочных автоматах в 200 — 400 раз меньше, чем на токарно-револьверных станках. Внедрение холодной объемной штамповки приводит к устранению операций предварительной обработки резанием, связанных с большими потерями металла в стружку и к возрастанию роли точных, от­делочных методов (точению, шлифованию и др.). Отмечается также более высокое качество штампованных дета­лей по сравнению с качеством деталей, полученных обработкой резанием. В зависимости от степени деформации у среднеуглеродистых сталей прочность штампованных деталей увеличивается на 30—120% по сравнению с прочностью деталей, полученных обработкой резанием, что в некоторых случаях позволяет отка­заться от термообработки и использовать более дешевые исходные материалы: углеродистую или малолегированную сталь вместо термически обработанной высоколегированной дорогостоящей стали. Деформируя различные участки заготовки с разными сте­пенями деформации, можно целенаправленно управлять распре­делением механических характеристик в детали.

При холодном деформировании устраняется совсем или ча­стично пористость металла, формируется благоприятно ориенти­рованная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических на­грузках. Это позволяет конструкторам уменьшать размеры дета­лей и их металлоемкость по сравнению с полученными обработкой резанием, не снижая при этом их надежность.

Холодной объемной штамповкой можно получать цельные детали из одной заготовки (например, зубчатые колеса и кулачки за одно целое с валом) взамен деталей, которые раньше собирали сваркой, клепкой и т. п. из двух или более частей. Это не только исключает расходы на сборку, удешевляет продукцию, но и улуч­шает ее качество, так как цельные детали прочнее и точнее, чем собранные из отдельных частей. Однако для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что позволяет применять ее только в массовом и крупносерийном производствах.

Листовую штамповку выполняют на прессах различных кон­струкций, часто оснащенных средствами механизации и автомати­зации. Процессы листовой штамповки состоят из выполняемых в определенной последовательности разделительных и формоизме­няющих операций, посредством которых исходным заготовкам (листу, полосе, ленте, трубе) придают форму и размеры деталей.

Разделительные операции (резка, вырубка, пробивка) сопро­вождаются разрушением металла по определенным поверхностям (рис.33).

Резка — это отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных ножницах (рис.33, а) или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операцию для разделе­ния листов 3, подаваемых до упора, на полосы и заготовки нуж­ных размеров для последующей штамповки. Качество поверхности среза обеспечивают необходимая величина зазора между режущими кромками, которая составляет (0,03 - 0,05) S, где S —толщина листа, и хорошая заточка режущих кромок ножей.

Рис. 33. Разделительные операции листовой штамповки

Вырубка и пробивка — отделение заготовки по замкнутому контуру в штампе (рис.33 б). Вырубным пуансоном 7 оформляют наружный контур детали (например, шайбы 5) или заготовки для последующей штамповки; пробивным пуансоном 8 — внутрен­ний контур (отверстие). При вырубке отделенная часть, проталки­ваемая в матрицу 6, является деталью 5, а при пробивке, наобо­рот — отходом 9. Характер деформирования заготовки при вы­рубке и пробивке одинаков (рис.32 в). В начальный момент пу­ансон смещает часть заготовки в отверстие матрицы без разруше­ния металла. При определенной глубине внедрения режущих кромок (тем большей, чем больше пластичность металла) в заго­товке возникают трещины, наклоненные к оси инструмента под углом 4—6°. При правильно выбранной величине зазора, завися­щей от толщины и механических характеристик металла, а также от сложности вырубаемых деталей, трещины образуют сравни­тельно гладкий срез (рис. 33, г). Он состоит из блестящего пояска (зона внедрениярежущих кромок) и наклонной шероховатой поверхности разрушения (зона прохождения трещин). При не­правильном определенном зазоре образуется «рваный» срез, спо­собствующий возможному разрушению вырубленной заготовки при ее последующем деформировании или при работе детали.

Вблизи поверхности среза образуется зона наклепанного металла. Это затрудняет последующую штамповку вырубленных заготовок, повышает магнитные потери в электротехнической стали (особенно в высоких узких зубцах роторов электрических машин). При необходимости наклеп устраняют отжигом или наклепанный слой удаляют обработкой резанием.

Детали повышенной точности с чистым и перпендикулярным срезом получают чистовой вырубкой и пробивкой, сущность которой заключается в создании дополнительного сжатия заготовки прижимом 10 (рис. 33 д). При этом в зоне резания создается напряженное состояние объемного сжатия, скалывающие трещины не возникают и срез получается чистым по всей толщине заготовки. Чистовой вырубкой изготовляют плоские кулачки, зубчатые колеса, секторы, рейки, пластины постоянных магнитов и т. п. Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называют раскроем. Часть листовой заго­товки, оставшаяся после вырубки, называется высечкой. Тип раскроя выбирают из условия наименьшего отхода металла в вы­сечку (рис. 27, е). Оптимальные варианты находят с помощью ЭВМ. Прессы для вырубки и пробивки оснащают ЧПУ, обеспе­чивающим быстрое (до 100 отверстий в 1 мин при межцентровом расстоянии 250 мм) выполнение операций по заданной программе, устанавливающей расположение и форму отверстий, расстояние между ними. Автоматические инструментальные головки обеспечи­вают быструю замену инструмента.

Формоизменяющие операции — гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка выполняются пластической деформацией металла без разрушения заготовок (рис. 34).

Гибка — придание заготовке криволинейной формы или изменение кри­визны заготовки. При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном 1 (рис. 34, а): наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные к пуан­сону) сжимаются.

Рис. 34. Формоизменяющие операции

При снятии нагрузки растянутые слои заготовки упруго сжимаются, а сжатые растягиваются, что приводит к изме­нению угла гибки. Это нужно учитывать соответствующей поправкой на угол гибки.

Вытяжка — образование полой детали из плоской или полой заготовки (рис. 34 б). Вырубленную заготовку диаметром D укладывают на плоскость матрицы 3 вручную или автоматическим подающим устройством. Пуансон 1 надавливает на заготовку, и она, смещаясь в отверстие матрицы 3, образует стенки вытя­нутой детали. Формоизменение при вытяжке оценивают коэф­фициентом вытяжки , который в зависимости от ме­ханических характеристик металла и условий вытяжки не дол­жен превышать 1,8—2,1. При D/d > (18-20)S возможна потеря устойчивости фланца, образуются складки при вытяжке. Их предотвращают прижимом 2 фланца заготовки к матрице.

Детали с большим формоизменением заготовки получают за несколько операций вытяжки с постепенным уменьшением диа­метра полой детали и увеличением его высоты (рис.34 в). Промежуточный отжиг для устранения наклепа позволяет увеличить k_B до 1,4—1,6. Опасность разрушения заготовок устраняют также скруглением кромок пуансонов и матриц r = (5-1О)S и применением пра­вильно подобранных смазок для уменьшения сил трения между поверхностями заготовок и инструмента.

Отбортовка — образование борта (горловины) вокруг отвер­стия в заготовке (рис. 34 г). Допустимое без разрушения формо­изменение характеризуют коэффициентом отбортовки , где d_Q — диаметр отверстия в плоской заготовке. Коэффициент k₀ зависит от механических характеристик металла заготовки и ее относительной толщины S/d и не превышает 1,2—1,8. Наиболее производительна пробивка отверстий под отбортовку, но из-за наклепа и заусенцев уменьшается допустимое значение k_o по­этому лучше комбинировать пробивку g последующим рассверливанием отверстий. Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами и для образования уступов в де­талях для нарезания резьбы, сварки или сборки, а также для увеличения жесткости конструкции при малой ее массе.

Обжим — уменьшение периметра поперечного сечения кон­цевой части полой заготовки производится заталкиванием за­готовки в сужающуюся полость матрицы (рис. 34 д). За один переход можно получить d = (0,7 – 0,8) D_3aг. Для большего формо­изменения делают несколько последовательных операций обжима.

Раздача — увеличение периметра поперечного сечения заго­товки коническим пуансоном (операция, противоположная об­жиму). Рельефная формовка — местное деформирование заготовки для образования рельефа в результате уменьшения тол­щины заготовки (рис. 34 е). Формовкой получают выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п. в металлических штампах. Иногда пуансоном или матрицей служит эластичная среда, на­пример, резиновая подушка.

Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции (вырубные, гибочные, вытяжные и т. д.). В зависимости от числа выполняе­мых операций различают одно- и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, т. е. операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа (рис. 34 б), и совмещенного действия, т. е. операции выполняются на одной позиции.

Для массового и крупносерийного производства целесооб­разно применять сложные и совершенные штампы. Для штам­повки небольшого числа деталей (мелкосерийное производство) сложные и дорогостоящие штампы применять нерационально. В таких случаях применяют упрощенные и быстропереналаживаемые штампы. При штамповке эластичными средами только один рабочий элемент (пуансон или матрицу) изготовляют из металла. Другим рабочим элементом служит эластичная среда: резина, пластмасса (полиуретан) или жидкость. Для высоко­скоростной штамповки — взрывом, электрогидравлическим уда­ром или электромагнитным полем не требуется дорогостоящего прессового оборудования, штампы просты по конструкции. Им­пульсным приложением нагрузки разгоняют заготовку до боль­ших скоростей, достигающих 150 м/с, накопленная заготовкой кинетическая энергия расходуется на ее деформирование мат­рицей или пуансоном. Процесс штамповки длится тысячные доли секунды.

Горячая объемная штамповка — это формообразование дета­лей (поковок) принудительным перераспределением.металла на­гретой заготовки в штампе. Это дешевый и производительный процесс обработки, широко распространенный в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. При горя­чем деформировании в штампах получают наибольшее преобра­зование формы заготовок с наименьшими затратами энергии. Однако при нагреве заготовок перед штамповкой на их поверх­ности образуется слой окалины. Наличие окалины снижает ка­чество поверхности и точность размеров поковок, что приводит к необходимости последующей обработки поковок резанием. Горячештампованные поковки обычно являются заготовками для получения из них деталей обработкой резанием. Отличия чертежа поковки от чертежа детали вызваны как технологическими особенностями штамповки, так и ограниченными возможностями получения точности размеров и качества поверхности. Проекти­рование технологического процесса начинают с разработки чер­тежа поковки.

Чертеж поковки разрабатывают на основании чертежа готовой детали. Работу начинают с выбора поверхности разъема штампов. Штампы имеют один или два разъема для помещения заготовки и извлечения поковки. Обычно поверхность разъема устанавливают в плоскости двух наибольших габаритных размеров детали, чтобы полости штампа имели наименьшую глубину. Положение поверх­ности разъема устанавливают также исходя из возможности кон­троля сдвига штампов и требуемого направления волокон в по­ковке.

Далее (рис. 35), на поверхности поковок, подлежащих обра­ботке резанием, назначают припуски — удаляемые обработкой резанием слои материала — в зависимости от штамповочного оборудования, габаритных размеров и массы поковок. Кроме того, устанавливают допуски — допустимые отклонения на раз­меры поковок, которые необходимы из-за возможной их недоштамповки по высоте, сдвига штампов, их износа и т. д. Штампов­кой не всегда можно получить требуемую конфигурацию поковки. В таких случаях делают напуски для упрощения формы поковки. В штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквоз­ное отверстие в поковке, поэтому делают только наметку отвер­стия с перемычкой шириной S, которую потом удаляют. Отверстия диаметром менее 30 мм в поковках не делают, их получают сверлением.

Штамповочные уклоны на боковых поверхностях поковок облегчают их извле­чение из штампов. При штам­повке на молотах наружные уклоны α = 2-З. Внутренние уклоны Р на 2—3°

Рис. 35. Пример составления чертежа

а — деталь; б — поковка

больше наружных, так как при охлаждении поковки ее внутренние поверхности при­жимаются к штампу, а наружные отходят от стенок штампа, уменьшая возможность застревания поковки в штампе.

Радиусы закруглений на пересекающихся поверхностях по­ковки необходимы для лучшего заполнения полости штампа и предохранения ее от преждевременного износа и поломок, а также для получения качественных поковок. Наружные радиусы закруглений R устанавливают в пределах 1—6 мм, а внутренние R — (3 - 4) мм. При малом R волокна металла могут быть перерезаны, что ухудшит качество отштампованной детали.

Размеры спроектированной поковки увеличивают на 1—2% для учета температурной усадки и получают чертеж «горячей поковки» (рис. 35, а), по которому изготовляют полость штампа. Горячую объемную штамповку, так же как и холодную формовку, производят в открытых и закрытых штампах (рис. 36). В откры­тых штампах получают поковки всех типов: удлиненной формы, штампуемые плашмя, и осесимметричной формы, штампуемые в торец. В закрытых штампах получают преимущественно осесимметричные поковки. Всестороннее неравномерное сжатие при больших сжимающих напряжениях, чем при открытой штамповке, позволяет осуществлять большие степени деформации и штампо­вать малопластичные сплавы без отхода металла в заусенец. Качество поковок выше вследствие лучшего, более равномерного расположения волокон, отсутствия концентрации деформаций и перерезанных волокон в зоне заусенца (рис. 31, б). Однако пониженная стойкость штампов и потребность в более дорогих заготовках точного объема ограничивают применение прогрес­сивных процессов закрытой

Рис. 36. Схемы процес­сов и расположение во-локон в поковках при штамповке:

а — в открытых штампах; б — в закрытых штампах

Поковки простой конфигурации штампуют из прокатанных заготовок постоянного профиля в штампах с одной полостью — одноручьевых штампах. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине (высоте) и с изогнутой осью нельзя штамповать из заготовок постоянного профиля в одноручьевых штампах из-за незаполнения штампа или недопустимо большого отхода металла в заусенец. В таких случаях форму заготовки постепенно приближают к форме поковки в мноrоручьевых штампах, имеющих заготовительные и штамповочные ручьи

В заготови­тельных ручьях получают фасонную заготовку — полу­фабрикат для штамповки в предварительном (черновом), а затем в окончательном (чистовом) штамповочном ручье. В предвари­тельном ручье завершают основное формообразование поковки, чтобы снизить износ окончательного ручья. В окончательном ручье получают готовую поковку заданных размеров. В нем развиваются наибольшие усилия штамповки и его располагают в центре штампа, чтобы избежать больших эксцентричных на­грузок на штамповочную машину.

Те или иные ручьи и различные их комбинации применяют в зависимости от конфигурации и размеров поковки, а также от требуемого направления волокон металла, которое обеспечивает соответственно направленное течение металла в ручьях штампа. Независимо от вида штамповочного оборудо­вания процесс получения поковок состоит из следующих основ­ных этапов: подготовки заготовок, оформления поковок в штам­пах и отделочных операций. Нагрев заготовок перед штамповкой в значительной степени определяет качество, производительность и стоимость продукции. Заготовки должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры (для среднеуглеродистой стали до 1200 °С), чтобы можно было избежать температурных напряжений и тре­щин. При превышении температуры нагрева происходит перегрев— интенсивный рост зерен, ухудшение качества металла. Перегрев можно устранить при последующем деформировании металла или термообработкой. При дальнейшем повышении температуры (для стали свыше 1350 ^CC) возникает пережог — неисправимый брак, заключающийся в окислении и расплавлении границ зерен с пол­ной потерей пластичности металла.

При нагреве должно быть минимальное окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхности заготовок, чтобы избежать чрезмерных потерь металла и затрат на удаление дефектного слоя. Обезуглероженный слой при большой его глубине (до 2 мм) может остаться на поверхности детали после удаления припуска обработкой резанием. Это приведет к пониженной твер­дости поверхностного слоя детали (он не закаливается) и снизит надежность работы детали, особенно в условиях динамических нагрузок. Правильный нагрев заготовок обеспечивают с помощью автоматических систем регулирования температуры и состава атмосферы в нагревательных устройствах и времени нагрева заготовок. Наиболее совершенными являются электронагревательные устройства, позволяющие автоматизировать процессы нагрева заготовок. В них легче создать защитную атмосферу для безокислительного нагрева. Это электроконтактные установки, индук­ционные установки, газовые печи с механизированной подачей заготовок в рабочее пространство.

Большое разнообразие форм и размеров штампованных поко­вок и сплавов, из которых их штампуют, обусловило применение различных способов штамповки и, соответственно, различных конструкций штампов и кузнечно-штамповочного оборудования.

После штамповки в открытых штампах производят обрезку заусенцев и пробивку перемычек в штампах на обрезных кривошипных прессах. В штампах совмещенного действия обе эти операции выполняются одновременно за один ход пресса. Обрезку и пробивку мелких поковок из низкоуглеродистых и низколегированных сталей производят в холодном состоянии, в остальных случаях — в горячем состоянии, сразу после штам­повки. При холодной обрезке и пробивке качество среза выше, чем при горячей. При соответствующих размерах пуансонов и матриц одновременно с пробивкой и обрезкой можно удалять штамповочные уклоны для уменьшения последующей обработки поковок резанием.

При удалении из штампов, обрезке заусенцев, пробивке пере­мычек и транспортировке поковки могут искривляться. На изог­нутых поковках при обработке резанием на одних участках может быть недостаток, а на других — избыток припуска, что приведет к браку детали. Поэтому при необходимости крупные поковки и поковки из высоколегированных сталей правят в горячем состоя­нии сразу после обрезки заусенца. Правку производят в чистовом ручье штампа на штамповочной машине либо в совмещенном штампе для обрезки и правки на обрезном прессе. Мелкие и сред­ние поковки правят обычно на винтовых прессах в холодном со­стоянии после их термообработки и очистки от окалины.

Глава 9.

Дата добавления: 2014-01-07