Глава VI Технико-экономические показатели и

критерии выбора рациональных способов обработки металлов давлением

1. ВЫБОР СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ПОКОВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ СПЛАВОВ

Уже при проектировании детали кон­структор должен представлять способ ее изготовления, только в этом случае конст­рукция будет отвечать требованиям тех­нологичности. Выбор способа основыва­ется на большом числе конструктивно-технологических признаков детали и тех­нико-экономических показателей видов и способов обработки металлов давлением.

Конструктивно-технологическими при­знаками детали, определяющими техноло­гию изготовления обработкой давлением являются ее форма, масса, габаритные раз­меры, марка материала и тип производства.

По форме детали, получаемые методом пластического формоизменения, укруп-ненно можно отнести к трем основным группам: детали, имеющие определенный профиль поперечного сечения по длине, существенно превышающей размеры се­чения; детали в виде оболочек постоянной или незначительно отличающейся толщи­ны; объемные детали.

Согласно такому группированию в данном разделе изложены виды обработки металлов давлением. При выборе кон­кретного способа могут учитываться раз­личные конструктивные признаки детали: опорные внешние и внутренние очерта-

ния, соотношения главных размеров, пло­щадей поперечного сечения и др.

Масса и габаритные размеры детали определяют прежде всего температурный режим обработки давлением. С их увели­чением преобладающим становится горя­чее деформирование, при котором обеспе­чивается меньшее давление на инструмент и меньшая сила, необходимая для дефор­мирования. Поковки диаметром более 150 ... 200 мм получают, как правило, го­рячим деформированием.

Свойствами материала, определяющи­ми выбор способа обработки давлением, являются его технологическая пластич­ность и сопротивление деформированию. Технологическая пластичность (т.е. спо­собность материала к пластическому фор­моизменению при конкретных схеме и условиях деформирования) особенно стро­го регламентируется в условиях примене­ния холодной обработки давлением.

Ввиду пониженной технологической пластичности высоколегированных сталей и труднодеформируемых сплавов их предпочтительно деформировать такими способами, при которых значительно снижаются растягивающие напряжения. Например, при ковке протяжку целесооб­разно выполнять в вырезных бойках, при штамповке предпочтительнее применение закрытых штампов, в которых схема не-

КРИТЕРИИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

143

равномерного всестороннего сжатия про­является полнее и в большей степени спо­собствует повышению пластичности, чем при штамповке в открытых штампах. По этой же причине наиболее предпочтитель­на штамповка выдавливанием.

Высоколегированные стали склонны к интенсивному упрочнению, поэтому для их горячего деформирования целесооб­разнее использовать способы, осуществ­ляемые на прессах, а не на молотах. Ввиду меньшей скорости деформирования на прессах разупрочняющие процессы (воз­врат и рекристаллизация) успевают про­изойти полнее и упрочнение снижается. Малопластичные алюминиевые (АК8, В93 и др.), магниевые (МА8), титановые спла­вы также предпочтительно ковать и штам­повать на прессах, так как у них пластич­ность снижается при высоких скоростях деформирования. При этом для уменьше­ния остывания металла и повышения рав­номерности деформации штампы подог­ревают до температуры 200 ... 400 °С. Поковки из некоторых труднодеформи-руемых сплавов получают изотермиче­ской штамповкой.

Во избежание трещин заготовки от прутка из высоколегированных сталей отрезают с подогревом до температуры 400 ...700°С.

Заготовки, имеющие литую структуру, обладают, как правило, меньшей пластич­ностью, чем уже деформированный ме­талл, что необходимо учитывать при вы­боре способа деформирования. Например, предварительно деформированные прутки из алюминиевых сплавов (АК5, АК6) можно подвергать ковке, тогда как слитки этих сплавов при ковке разрушаются.

Тип производства может оказывать решающее влияние на выбор способа по­лучения поковок, так как в условиях крупносерийного и массового производст­ва рентабельны способы деформирования с использованием специальной техноло­гической оснастки. С уменьшением коли-

чества одинаковых деталей может оку­паться более простая и дешевая оснастка. В мелкосерийном и единичном производ­стве применяют ковку с использованием универсального инструмента. При этом поковка имеет припуски и напуски, большие, чем при штамповке.

Для более точной оценки того или ино­го способа пластического формоизмене­ния в связи с программой производства необходимо установить критическую се­рийность, т.е. такие размеры серий, при которых два сравниваемых между собой варианта оказываются одинаково эконо­мически целесообразными. Для этого строят графическую зависимость себе­стоимости деталей от программы их вы­пуска для различных способов изготовле­ния (рис. 3.85). Например, для получения поковки детали типа показанной на рис. 3.30, а можно определить критиче­скую серийность, сравнивая себестои­мость при получении поковки ковкой У, штамповкой на молоте в открытом штам­пе 2, штамповкой на КГШП в закрытом штампе 3, штамповкой на ГКМ в закры­том штампе с двумя плоскостями разъема 4. Как видно из рис. 3.85, ковка целесооб­разна до критической серийности N_u a штамповка на ГКМ - начиная с критиче­ской серийности N₃.

/V, Ы_г Ы_г УУ,шт.

Рис. 3.85. Зависимость себестоимости поковки от программы выпуска

144

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

На основе анализа формы детали, ее массы, свойств материала и типа произ­водства могут быть предварительно вы­браны способы производства. На следую­щем этапе необходима проверка по усло­виям деформации без разрушения. Для этого можно использовать теоретический анализ, моделирование процесса дефор­мирования, сравнение количественных параметров деформации с эксперимен­тально найденными предельными значе­ниями. На третьем этапе проводят конст­рукторскую проработку изделия для улучшения его технологичности.

2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Окончательный выбор наиболее ра­ционального способа изготовления поков­ки может быть сделан только на основе анализа технико-экономических показате­лей процессов их изготовления. При этом следует учитывать специфические осо­бенности обработки давлением: высокую металлоемкость - затраты на металл дос­тигают 60 ... 80 % себестоимости поков­ки; высокую стоимость штамповой осна­стки - затраты на оснастку составляют 10 ... 15 % себестоимости поковок; значи­тельные энергоемкость и стоимость ос­новного технологического оборудования.

В соответствии с этим основными тех­нико-экономическими показателями при выборе способа получения поковки явля­ются показатели эффективности исполь­зования металла: коэффициент использо­вания металла к_и и коэффициент точности поковки к_п.

Коэффициент использования металла оценивают как отношение массы готовой детали к массе исходной заготовки (при ковке и объемной штамповке исходной является заготовка, поступающая на опе­рацию нагрева; при листовой штамповке -полоса или лента, поступающая на опера­цию штамповки).

Величина к„ в различных видах обра­ботки давлением изменяется в широких пределах: при ковке к_я имеет среднее зна­чение 0,35; при горячей объемной штам­повке ~ 0,5; при листовой ~ 0,65 и при холодной объемной к_я может достигать 0,8 и выше.

Коэффициент точности поковки к_а оп­ределяют как отношение массы готовой детали к массе поковки, из которой ее из­готовляют. Таким образом, к_п характери­зует степень приближения формы и раз­меров поковки к форме и размерам детали, т.е. объем последующей механической обработки. Например, для детали типа показанной на рис. 3.30, а к_а может при­нимать значения при ковке 0,3; при штам­повке на молоте в открытом штампе -0,44; при штамповке на КГШП в закрытом штампе 0,5; при штамповке на ГКМ в за­крытом штампе с двумя плоскостями разъема-0,55.

Коэффициенты к„ и к„ не всегда дают однозначную оценку эффективности ана­лизируемых процессов обработки метал­лов давлением, так как без учета програм­мы выпуска и затрат на оснастку, трудо­емкости и других факторов нельзя дать достоверный ответ, какой из способов по­лучения поковки эффективнее. Поэтому при анализе технико-экономических пока­зателей рассматривают кроме натураль­ных (&„ и к„) стоимостные показатели, в частности себестоимость детали, которая включает стоимость поковки и ее механи­ческой обработки. Отходы при черновой механической обработке по сути - резуль­тат больших припусков и напусков в по­ковке, и чем позже по ходу технологиче­ского процесса металл удаляется в отход, тем больше относительные стоимостные потери на единицу массы металла. Сни­жение себестоимости детали в наиболь­шей степени достигается при увеличении коэффициента точности поковки к„.

КРИТЕРИИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

145

Развитие обработки металлов давлени­ем определяется главным образом расши­рением применения способов с высокими технико-экономическими показателями. Более высокие значения коэффициентов использования металла и точности дости­гаются в процессах штамповки в закрытых штампах с несколькими плоскостями разъема; при горячем и холодном выдав­ливании, в процессах поперечно-клиновой прокатки.

Увеличение коэффициента использо­вания металла, внедрение металлосбере-гающих технологий связаны обычно с увеличением затрат на оснастку и обору­дование, которые окупаются при доста­точной серийности выпуска детали. По­вышение серийности на базе специализа­ции производства облегчает применение средств автоматизации, повышающих производительность и уменьшающих тру­доемкость. Такие средства автоматизации, как роторные и поточные автоматические линии, применяются в массовом произ­водстве. Для достижения высокой произ­водительности и низкой себестоимости изготовления изделий серийного выпуска создаются гибкие автоматические модули и участки, позволяющие на одном обору­довании производить многономенклатур­ную продукцию.

При решении вопроса о выборе рацио­нальных способов изготовления поковок необходимо учитывать факторы техники безопасности и охраны окружающей среды.

3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Процессы обработки металлов давле­нием выполняют на мощном оборудова­нии с приложением больших деформи­рующих сил и при высоких скоростях де­формирующего инструмента; обрабаты­вают горячий металл и заготовки большой массы, с чем связано применение большо­го количества различных транспортных

средств. Вследствие этого вопросам техни­ки безопасности в цехах обработки давле­нием должно уделяться большое внимание.

Для предотвращения попадания рук работающих в опасную зону оборудова­ния предусматривают оградительные ре­шетки, фотоэлементную защиту, блокиро­ванное управление прессами. Однако наи­более безопасной становится работа на кузнечно-прессовом оборудовании при ее полной механизации и автоматизации.

Особые меры безопасности нужны при работе на оборудовании с динамическим характером нагрузки. В этом случае пло­хое закрепление инструмента, неправиль­ное размещение заготовки могут вызвать особо тяжелые последствия. При работе мощного оборудования ударного действия значительные сотрясения могут переда­ваться на фунт, оказывая вредное дейст­вие на работающих, ускоряя разрушение сооружений, затрудняя работу средств ав­томатизации и различных приборов. Для уменьшения колебаний грунта в основании такого оборудования устанавливают демп­фирующие и виброгасящие устройства.

С точки зрения промышленной санита­рии и охраны окружающей среды наи­большая опасность связана с нагревом металла при горячем деформировании. Нагревательные устройства, раскаленный металл и жировая смазка горячих штампов являются источниками загрязнения возду­ха дымом, копотью и вредными газами. Предпочтительно применение электрона­гревательных устройств, при которых га­зовыделение существенно меньше, чем в пламенных печах. Однако при всех видах нагрева значителен расход воды для ох­лаждения конструкций. Радикально реша­ет проблему загрязнений, связанных с на­гревом, расширение области возможного применения холодного деформирования металла за счет внедрения более качест­венных штамповых сталей, процессов с локальным приложением деформирующей силы, наложением ультразвуковых коле­баний и др.

146

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Безопасность труда и охрана окру­жающей среды обеспечиваются не только защитными мероприятиями и техникой, но и в значительной степени правильным выбором прогрессивных и экологически чистых технологических процессов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какими способами целесообразно изго­товить поковку стального зубчатого колеса с наружным диаметром 300 мм, массой 4 кг при величине партии 100 тыс. шт.?

2. Каковы основания для выбора рацио­нального способа изготовления поковки крюка грузоподъемного устройства массой 5 кг при величине партии 100 шт.?

3. В каком случае больше отходы при штамповке, а в каком при механической обра­ботке, если при получении поковок одной де­тали по первому варианту к„ = 0,44; к_и = 0,41, а по другому к„ = 0,48; А_и = 0,42?

4. Каковы отличительные особенности ме­роприятий по технике безопасности и охране окружающей среды в кузнечно-штамповочных цехах?

РАЗДЕЛ

₄

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО