Основні положення. Обладнання, прибори та матеріали

Обладнання, прибори та матеріали

2.1 Штампи для одержання поковок.

2.2 Вихідні заготовки для штампування.

2.3 Прес гідравлічний МС-500.

2.4 Аналітичні ваги.

2.5 Мірний інструмент.

Основні положення

Технологічний процес ковальсько-штампувального виробництва відрізняється простотою здійснення, високою економічністю та значною продуктивністю. Кування та штампування сприймають майже всі метали та сплави, що використовуються у промисловості.

При технології кування та штампування використовується властивість пластичності металу, яка дозволяє здійснювати пластичну деформацію без руйнування матеріалу заготовки, супроводжувану зміною її форми та розмірів.

Кування - різновид гарячої обробки тиском, при якій матеріал деформується послідовно на окремих ділянках заготовки за допомогою універсального інструменту. Як інструмент застосовують плоскі та фігурні бойки, а також різноманітний підкладний інструмент. Особливістю кування є те, що метал має можливість вільно текти в боки, не обмежені робочими поверхнями інструменту. Кування є економічно доцільним у одиничному виробництві поковок меншої маси і при виробництві важких поковок, наприклад вал гідрогенератора, колінчатих валів, судових двигунів, турбінних дисків тощо. Поковки, отримані методом кування мають великий відхід метала в наслідок значних ухилів, напусків та припусків для подальшої механічної обробки.

Рисунок 1 - Загальна схема технологічного процесу гарячого

штампування поковок

Гаряче об'ємне штампування (ГОШ)

- вид обробки металів тиском, коли формоутворення штамповки з нагрітої заготовки здійснюється за допомогою спеціального інструменту - штампу. При цьому температура нагріву матеріалу заготівки має виключити наклепування матеріалу протягом усього циклу пластичного деформування. Для цього температура металу при закінчені формоутворення поковки, повинна бути вище температурного порогу рекристалізації (Тп.р≈ 0, 4∙ Тплавлення). Течія металу у порожнині штампу здійснюється примусово згідно конфігурації порожнини (струмка) штампа.

Гаряче об'ємне штампування дозволяє отримувати поковки складної конфігурації без напусків, зі значно меншими ухилами та припусками аніж при куванні. Це значно скорочує об'єм подальшої механічної обробки. Продуктивність штампування значно вища за технологію кування та складає десятки та сотні поковок на годину. Проте, штампувальний інструмент дорогий та є придатним для виробництва однієї конкретної поковки, в основному масою до 100 кілограмів. Тому штампування економічно вигідне тільки при виробництві достатньо великої партії однакових поковок.

Рисунок 2 - Гідравлічний прес МС 500

1 – верхня нерухома плита

2 – колони

3 – рухома плита

4 – гідравличнмй циліндр

5 – нагнітаючий трубопровід

6 – компенсаційний бак

7 – масляний насос

8 – вимірювально-регулюючі прилади

Для здійснення деформування металу при операціях кування або штампування використовуються молоти різного типу – машини ударної дії (фрикційні, пневматичні, пароповітряні, горизонтально-кувальні машини ГКМ), та прес-машини статичної дії (гвинтові, фрикційні, кривошипні, та гідравлічні).

До основних переваг штампування на молотах відносяться такі:

1 Можливість регулювання енергії удару. Слабкі удари можуть бути нанесені з великою частотою.

2 Здійснення деформування в одному струмку за декілька ударів, особливо при штампуванні у кінцевому рівчаку. Великі швидкості деформування при штампуванні на молотах сприятливо впливають на заповненні складного рельєфу штампу.

До недоліків штампування на молотах:

1 Необхідність у котлових або компресорних станцій та громіздких фундаментів.

2 Низька продуктивність при багаторівчаковому штампуванні, бо при виконанні підготовчих операцій молот працює не на повну потужність.

3 Важкі умови труда та складність автоматизації процесів штампування.

4 Малий ККД та великі затрати металу від штампувальних ухилів.

5 Невисока точність розмірів поковки (допуск складає декілька мм).

6 Струс споруд та приладів від ударів молоту.

Штампування на пресах має такі переваги перед штампування на молотах:

1 Більш високим виробництвом в зв’язку зі скороченням кількості ударів у кожному струмку до одного.

2 Більш високою точністю розмірів поковок з величиною допуску 0, 2-0, 5 мм, завдяки більш довершеній формі штампів.

3 Більш високим ККД та покращенням умов праці.

4 Зниженням собівартості продукції за рахунок пониження розходу металу та експлуатаційної вартості.

Основним недоліком пресів є висока їх вартість та висока вартість штампів.

При штампуванні процес формоутворення, незалежно від виду обладнання, що використовують, складається з таких основних етапів:

- підготовчих операцій (фасонування заготовок);

- оформлення поковки;

- заключні операції.

Рисунок 3 - Різновиди гарячого штампування

Велике різноманіття форм та розмірів штамповок, а також сплавів, з яких їх штампують, обумовлює існування різних способів штампування (рис. 3). В принцип класифікації способів закладений характер течії металу у порожнині штампу.

У залежності від типу штампу вибирають штамповку у відкритих (рис. 4 а) та закритих (рис. 4 б, в) штампах.

Штампування у відкритих штампах характеризується змінним зазором між рухомою та нерухомою частиною штампу.

В цей зазор (місток чи рівчак) тече метал облою, який закриває вихід з порожнини штампу та змушує метал заповнювати порожнину штампу; після заповнення порожнини штампу залишок

Рисунок 4 - Схема штампування у відкритих (а) та закритих (б, в) штампах 1- облойний рівчак; 2- робочий рівчак (робоча порожнина) штампу

 

металу видавлюється у облой, що дозволяє не пред'являти високих вимог до точності маси вихідної заготовки. Облой підлягає видаленню (обрубці) у спеціальних штампах та може складати до 20% від вхідної заготівки. Відходи збираються у тару та в якості скрапу використовуються у металургії.

Рисунок 5 - Схема обрізки облою (а) та пробивання плівки (б) 1 - пуансон; 2 - знімач; 3 - поковка; 4 - матриця.

 

По місту видалення облою, волокна металу в поковці виявляються перерізаними.

Об'єм мінімального облою для даної поковки не однаковий та залежить від конструктивного оформлення штампу. Менший його об'єм відноситься до випадку тонкого (h) та вузького (b) облою, розташованого (рис. 6) з торця поковки, де течія металу більш утруднено. Однак, виходячи з умов необхідності зменшення втрат металу на напуски (уклони) та покращення обрізки облою найбільш доцільно штампувати з роз'ємом посередині поковки (рис. 6, в).

Рисунок 6 - Схеми що пояснюють залежність об'єму мінімального облою від положення плоскості роз'єму штампу а - торцеве; б - проміжне; в – посередині поковки

 

Збільшення об'єму облою проти мінімально необхідного обумовлено також нерівномірністю його утворення внаслідок невідповідності профілю заготовки та поковки у плоскості рознімання штампу, що призводить до неоднакового надходження металу у облойну канавку (місток) у різних її частинах по периметру. При штампуванні багатоосних поковок складної форми, заготывка одержує у різних частинах порожнини штампа неоднакову ступінь деформації по висоті та, як наслідок, неоднаковий об'єм по периметру.

Штампування у відкритих штампах з утворенням швидкоостигаючого тонкого облою приводить до підвищення зусиль штампування та відповідно до підвищення витрат енергії.

Штампування у закритих штампах (безоблойне штампування) здійснюється на пресах, молотах та ГКМ. Сутність процесу полягає у тому, що заготовка з вихідними розмірами (Н₀, D₀) деформується, знаходячись у порожнині однієї частини штампу, до якої входить, як у направляючу, друга його частина. При цьому штамп не забезпечує вільного видалення поковки з кінцевими розмірами (Н_К, D_К) із робочого рівчака. Для видалення поковки з порожнини, застосовується виштовхувач, який при зворотній ході машини виштовхує поковку, а для зменшення зусиль для цього застосовуються штампувальні ухили (α) (рис. 7).

Рисунок 7 - Схема штампування у закритих штампах:

а) - вихідний стан; б) - кінцевий стан;

в) - штампований ухил; 1-2 - частини штампу;

3 - виштовхувач.

У другому випадку, частина штампу, у якій розташована порожнина, виконана роз'ємною і штампованих ухилів майже не потрібно. По такій схеми виготовляються штампи для ГКМ.

Штампування у закритих штампах пов'язане з такими особливостями:

- коливання заготовки повинні бути мінімальними, бо наявність облою не передбачається;

- допускається затікання метала у зазори між роз'ємними частинами закритого штампу, що утворює незначну задру;

- при штампуванні у закритих штампах необхідно суворо дотримувати рівності об'ємів заготовки та поковки, інакше при нестачі металу не заповнюються кути штампу, а при надлишку, розмір поковки по висоті буде більш необхідного.

Схема навантаження у закритому штампі близьке до усебічного стискання, що дозволяє одержувати поковки з важко деформованих матеріалів. Відсутність облою та менше значення штампованих ухилів значно підвищує коефіцієнт використання металу (КВМ) - відношення маси металу деталі до маси металу заготовки.

Поковка, яка штампується у закритих штампах, більш високої якості, ніж у відкритих, за рахунок кращого розташування волокон, відсутності місцевої інтенсивної течії метала у облой та перерізаних волокон у місці його видалення (рис. 8). Перерізування волокон обумовлює концентрацію напруг даної зоні при експлуатації виробу та, як наслідок, є джерелом для зародження тріщин та подальшого руйнування виробу.

Рисунок 8 - Розташування волокон у поковках, штампованих у відкритому штампі (ліва частина) та закритому штампі (права частина).

Конструкція закритого штампу така, що роз'єм штампу завжди одержує природний замок, що виключає зсув частин штампу та підвищує точність розмірів поковки.

До недоліків закритого штампування можна віднести більш низьку стійкість штампів, у наслідок дії великих зусиль на поверхню струмку, а також наявність гострих кромок при штампуванні поковок з поперечним перетином кола чи квадрату (рис. 9).

Рисунок 9 - Схема відкритих штампів (а) та відповідних

закритих (б) штампів. α - штампувальний ухил;

β - кут робочої кромки; к - гострі кромки

Поковки простої конфігурації, що не мають великої різниці геометричних параметрів перетинів по довжині чи висоті, звичайно штампують у штампах з однією порожниною, тобто у однорівчакових штампах.

Поковки складної конфігурації з різкою зміною перерізу по довжині, з вигнутою віссю економічно доцільно одержувати у багаторівчаковому штампі. Тут в одному блоці розташовують рівчаки для фасонування та остаточного формоутворення поковки (рис. 10).

У багаторівчакових штампах рівчаки поділяють на заготівельні (протяжний, підкатний, пережимний, формувальний, відрубний) та штампувальні (чорновий та чистовий, які відповідають конфігурації та розмірам поковці).

Рисунок 10. Переходи при відкритому штампуванні у багаторівчаковому штампі а - вихідна мірна заготовка; 1 - протягувальний рівчак; 2 - подкатувальний рівчак для формування бобишок; 3 - чорновий рівчак; 4 - чистовий рівчак.

Для вкладання заготівки до рівчака та витягування з нього поковки, штампи мають один або двома роз'єми. Лінія роз'єму штампу може бути прямою чи ломаною (рис. 11). По витратах металу, варіант поданий на рис. 11 в), більш економічний, при однаковій величіні куту α, але ломана лінія ускладнює виготовлення штампу та обрізання облою.

При ломаній лінії роз'єму покращуються умови заповнювання кутів, бо розташовані вони в менш глибоких порожнинах.

Рисунок 11 - Розташування площини рознімання штампу

а - поковка; б, в - різновиди площин рознімання

Положення площини рознімання штампу визначається різноманітними факторами та, в першу чергу, формою поковки, яка повинна забезпечувати вільний вихід її з порожнини (струмка).

На рис. 12 представлені площини рознімання можливі для поковок різноманітних геометричних фігур.

Для кулі зсув площини рознімання у положення 2-2 призводить до напусків та втраті металу, а форма поковки спотворюється.

При штампуванні еліпсоїду можливі два варіанти площини рознімання штампу: по великому чи малому діаметральним перетинам. Для куба можливі три положення площини рознімання штампів. Самим доцільним є рознімання 3, при якому по двом площинам у кожній частині штампу маються природні ухили. Периметр облою та його об'єм при цьому декілька збільшується, однак одержувана економія металу у напусках на гранях, компенсує ці втрати.

Для циліндру можливі три варіанти рознімання в залежності від висоти Н₀ та діаметру D₀ - 1, 2 чи 3 рознімання штампів:

- для циліндрів Н₀ ≥ D₀ доцільний варіант 3, при якому заготовка штампується поперек осі, бо напуски у цьому випадку будуть тільки у торців;

- для циліндрів Н₀ ≤ D₀, коли штампування здійснюється у торець - варіант 2;

- для усіченого конуса можливі два варіанти рознімання в залежності від кута конусу;

- поковки великої довжини штампуються по варіанту 2 з напусками (ухилами) тільки на торцях.

Реальні поковки можна розглядати як складні геометричні фігури, що складаються з елементарних фігур. Доцільно площину рознімання вибирати за максимальними габаритними розмірами так, щоб порожнини штампів були не глибокими для кращого їх заповнювання, хоча при цьому збільшується площина дзеркала штампу рівчаками, а також збільшується периметр та об'єм облою.

Вибираючи різні площини рознімання штампів для однієї й тієї ж деталі, отримаємо поковки різної форми (рис. 13) в наслідок різних засобів штампування - торцового чи поперечного.

Для поковки з отвором та конічним корпусом утрати металу з напуском невеликі при торцевому та дуже великі при поперечному штампуванні.

Навпаки, для поковки з великою виїмкою та циліндричним стержнем напуски дуже великі при торцевому штампуванні.

Для поковок з отвором доцільно застосовувати торцеве штампування, бо стає можливим відформувати порожнину для отвору з невеликим відходом у вигляді перемички, що дає значну економію металу та спрощує механічну обробку.

Рисунок 12 - Можливі положення площин рознімання штампів для простих геометричних фігур.

Для поковки зі стержнем та колесом з ребрами доцільне торцеве штампування. Однак з економічної точки зору, зважаючи на великі втрати металу в напуски, бажано застосовувати поперечне штампування, не дивлячись на більш складні штампи, використовувані при цьому. При поперечному штампуванні повинна бути використана фасонна заготовка.

Рисунок 13 - Можливі положення поковки у процесі штампування: а- торцеве; б - поперечне; с – перемичка (плівка, видра)

У деяких випадках положення площини рознімання штампів та відповідно форма поковки, визначаються заданою мікроструктурою. Наприклад, якщо деталь машини (рис. 14, а) працює на зріз по лінії а-а, то волокно повинно бути перпендикулярно лінії зрізу. Положення лінії рознімання ІІ-ІІ у даному випадку не є задовільним, і тому, зневажаючи деякими недоліками, зв'язаними с положенням рознімання І-І, усе ж слід назначати цей варіант.

Рисунок 14 - Вибір положення роз’ємну штампа за умовами експлуатації деталі: а - деталь; б, в - площини рознімання в поковках

Для одержання поковки-шестірні, при будь яких співвідношеннях її геометричних розмірів, переважніше торцеве штампування. У цьому випадку макроструктура поковки виходить однаковою для усіх зуб’ів шестерні, що забезпечує високу їх міцність. При поперечному штампуванні зуб'я шестірні у місцях, співпадаючих з площиною рознімання, будуть ослаблені.

Для запобігання заклинювання поковки в рівчаках внаслідок тертя, бокові стінки порожнини штампу виконують з ухилами. Це дозволяє поковці відірватися від стінки штампу при незначно малому її зміщенні. Величина формувальних ухилів складає від 1° до 10° та залежить від глибини порожнини штампу, температури закінчення штампування, розподілом нормальних напружень по глибині штампу, коефіцієнту та сил тертя між матеріалом поковки та поверхнею порожнини штампу.

При конструюванні для гарячої обробки тиском слід пам'ятати, що розміри гарячої поковки (розміри штампу) та холодної поковки відрізняються між собою на величину теплового усадження металу з моменту закінчення штампування.

При видаленні із штампів поковок та під час транспортування вони можуть викривлятися. В результаті на таких поковках для обробки різанням на одних ділянках припуску буде недостатньо, а на других перевищений припуск, що призводить до браку деталі. Тому перед механічною обробкою необхідно проводити правку поковок у гарячому чи холодному стані.

Умови роботи різних штампів мають багато загального; відмінності зв'язані з режимами деформування металу та поділом штампів на збірні та цільноблокові, і такі що працюють при динамічних навантаженнях.

Сплави для виготовлення штампів. В процесі гарячої деформації металу інструмент піддається великому напруженню - від внутрішніх сил при нагріву та охолодженні що чергуються. Нагрів поверхні рівчаку, в якому розміщується заготовка при температурі 800 - 1250°С, досягає у середньому 400 - 500°С, а у тонких ребрах та поверхневих шарах - 600°С та вище.

Нагрівання штампу залежить від зусилля з якими деформований метал приминається до поверхні струмку (до 200 кг/мм²) та тривалості зіткнення при взаємодії робочих органів машини на заготовку.

До матеріалів для інструменту пред'являються такі вимоги.

- висока температура критичних точок, визначальна температуру відпуску сталі;

- висока розгаростійкість, яка виникає у вигляді тріщин та утворюється внаслідок перепаду температур у поверхневому шарі при швидкому, швидко повторюваному охолоджені;

- достатня ударна в'язкість при температурах 300-600°С;

- висока зносостійкість при підвищених температурах;

- глибока прогартовуваність;

- відносно невеликий коефіцієнт термічного розширення та мала залежність його від зміни температури при розігріві штампів;

- високий опір деформуванню при температурах розігріву термічно оброблених штампів;

- незначне короблення при термічній обробці та гарна оброблюваність різанням;

- недефіцитність легувальних елементів та відносно низька вартість;

- понижена схильність до злипання зі штампувальним металом.

Таблиця