Глава III Изготовление поковок

машиностроительных деталей

1. ВИДЫ ПОКОВОК

Поковкой называют заготовку детали, полученную ковкой или штамповкой. Ог­ромное разнообразие машиностроитель­ных деталей и, соответственно, такое же разнообразие форм и размеров поковок, сплавов, характера производства обуслов­ливают существование различных спосо­бов изготовления поковок.

Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим технологию их изготовления. Такими признаками явля­ются масса, конфигурация, марка сплава и тип производства.

Масса поковок, которая может быть от сотен граммов до сотен тонн, определяет тип заготовки, вид деформации и схему деформирования.

Исходными заготовками для получе­ния поковок являются слитки или сорто­вой прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечения; так как размеры поперечного сечения последнего ограни­чены, для получения поковок большой массы (от нескольких сотен килограммов) в качестве заготовки используют слитки.

Поскольку при горячей деформации давления, необходимые для формоизме­нения нагретого металла, ниже, чем при холодной деформации, последняя исполь­зуется для поковок малой массы (ориен­тировочно менее 1 кг).

Изготовление поковок может осущест­вляться по схемам свободного пластиче­ского течения между поверхностями ин­струмента или затекания металла в по­лость штампа (возможно, в сочетании с процессами выдавливания, ротационного обжатия). Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно пре­вышающее давление при свободном пла­стическом течении металла. Вследствие этого поковки большой массы затрудни­тельно изготовлять штамповкой. Для тя-

желых поковок (массой ориентировочно 1 ... 250 т) единственно возможным спо­собом изготовления является ковка - вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в сто­роны, не ограниченные рабочими поверх­ностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вы­резные) бойки, а также различный под­кладной инструмент. Таким образом, при ковке используют универсальный (годный для изготовления различных поковок) ин­струмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент -штамп, изготовление которого при не­большой партии одинаковых поковок эко­номически невыгодно. Поэтому в единич­ном и мелкосерийном производствах ков­ка обычно экономически более целесооб­разна. Чем больше партия одинаковых поковок, тем более специализированным может быть технологический процесс их изготовления, так как применение более сложного, а значит, более дорогого, инст­румента и специального оборудования экономически оправдано.

Представить общую достаточно стро­гую классификацию форм поковок трудно ввиду их большого разнообразия. Упро­щенно поковки можно разделить, напри­мер, на такие группы: осесимметричные типа дисков и колес (рис. 3.19, 1, а), вту­лок и колец (рис. 3.19, 1, б); осесиммет­ричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных (рис. 3.19, 2); осесимметричные типа ва­лов и осей (рис. 3.19, 3); длина которых вдоль оси больше поперечных размеров; неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков (рис. 3.19, 4) с меньшим или большим соотношением габаритных размеров; к этой многочисленной груп­пе относятся поковки гаечных ключей,

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

79

_{"> Jlfez-.}

_ее—э

_{-еВ88^Е)э-}

₀

_ч&

_е2

^eg

_I

_ш

_#=эфэ

Рис. 3.19. Виды машиностроительных поковок

шатунов, звеньев гусениц тракторов, ло­паток турбин, крюков грузоподъемных механизмов, коленчатых валов и др.

Кроме такого разделения поковок по типу деталей при технологических расче­тах по конфигурации поковки делят на группы сложности. Критерием сложности поковки считают отношение объемов по­ковки и описанной вокруг нее простой геометрической фигуры - призмы или цилиндра.

2. КОВКА

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности ос­новных и вспомогательных операций. Ка­ждая операция определяется характером деформирования и применяемым инстру­ментом.

К основным операциям ковки отно­сятся осадка, протяжка, прошивка, отруб­ка, гибка.

Осадка - операция уменьшения высо­ты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения (см. рис. 3.6, а). Осаживают заготовки между бойками или подкладными плитами (рис. 3.20, а).

Разновидностью осадки является вы­садка, при которой металл осаживают лишь на части длины заготовки (рис. 3.20, б).

Протяжка - операция удлинения за­готовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения (рис. 3.21, а). Протяжку производят последователь­ными ударами или нажатиями на отдель­ные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° во­круг этой оси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличива­ются ширина и длина заготовки. Общее увеличение длины равно сумме прираще­ний длин за каждое нажатие, а уширение

Рис. 3.20. Схемы осадки в кольцах (а) и высад­ки (б)

80

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

•^

Рис. 3.21. Схемы протяжки и ее разновидностей

по всей длине одинаково. Если заготовку повернуть на 90° вокруг горизонтальной оси и повторить протяжку, то уширение, полученное в предыдущем проходе, устраняется, а длина заготовки снова увеличивается. Чем меньше подача при каждом нажатии, тем интенсивнее удлинение. Однако при слишком малой подаче могут получиться зажимы (рис. 3.21, б).

Протягивать можно плоскими

(рис. 3.21, а) и вырезными (рис. 3.21, в) бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (осо­бенно при протяжке круглого сечения) значительные растягивающие напряже­ния, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направлен­ные с четырех сторон к осевой линии за­готовки, способствуют более равномерно­му течению металла и устранению воз­можности образования осевых трещин.

Деформация при протяжке может быть выражена величиной у к о в к и:

y = FJF_K,

где F„ - начальная (большая) площадь по­перечного сечения; F_K - конечная (мень-

шая) площадь поперечного сечения после протяжки.

Очевидно, чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его ме­ханические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поко­вок с удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т.п.), но и в чередовании с осадкой -для большей уковки металла заготовки.

Протяжка имеет ряд разновидностей.

Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьше­ния ее толщины (рис. 3.21, г).

Протяжка с оправкой - операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 3.21, д). Протяжку выполняют в вы­резных бойках (или нижнем вырезном 3 и верхнем плоском 2) на слегка конической оправке /. Протягивают в одном направ­лении - к расширяющемуся концу оправ­ки, что облегчает ее удаление из поковки.

Раскатка на оправке - операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заго­товки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 3.21, е). Заготовка 5 опирает­ся внутренней поверхностью на цилинд­рическую оправку б, устанавливаемую концами на подставках 7, и деформирует-

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

81

ся между оправкой и узким длинным бой­ком 4. После каждого нажатия заготовку поворачивают относительно оправки.

Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вна­чале раскаткой уничтожают бочкообраз-ность предварительно осаженной и про­шитой заготовки и доводят ее внутренний диаметр до требуемых размеров. Затем протяжкой с оправкой уменьшают толщи­ну стенок и увеличивают до заданных размеров длину поковки.

Прошивка - операция получения по­лостей в заготовке за счет вытеснения ме­талла (рис. 3.22, а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубле­ние (глухая прошивка). Инструментом для прошивки служат прошивни (рис. 3.22, в) сплошные и пустотелые; последними прошивают отверстия большого диаметра (400 ... 900 мм). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца (рис. 3.22, б). Более толстые поковки прошивают с двух сто­рон без подкладного кольца (рис. 3.22, а). Диаметр прошивня выбирают не более 1/2 ... 1/3 наружного диаметра заготовки; при большем диаметре прошивня заготовка

значительно искажается. Прошивка со­провождается отходом (выдрой).

Отрубка - операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента - топора (рис. 3.22, г). От­рубку применяют для получения из заго­товок большой длины нескольких корот­ких, для удаления излишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной частей слитков и т.п. Инструмент для отрубки - топоры различной формы (рис. 3.22, д).

Гибка - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 3.22, е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т.п. Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сече­ния заготовки и уменьшением его площа­ди в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные попереч­ные размеры. При гибке возможно обра­зование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления.

Рис. 3.22. Схемы операций ковки:

а - двусторонняя прошивка; 6 - сквозная прошивка; в - прошивни; г - отрубка; д - топоры; е - гибка;

ж - штамповка в подкладных штампах

82

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Перечисленными операциями ковки трудно изготовить поковки с относительно сложной конфигурацией. Поэтому при изго­товлении небольшой партии таких поковок применяют так называемую штамповку в подкладных штампах (рис. 3.22, ж). Под­кладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется по-. лость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка. В подкладных штам­пах можно изготовлять головки гаечных ключей, головки болтов, диски со ступи­цей, втулки с буртом и другие поковки.

Чертеж поковки составляют на осно­вании разработанного конструктором чер­тежа готовой детали с учетом припусков, допусков и напусков (рис. 3.23). Припуск 2 - поверхностный слой металла поковки, подлежащий удалению обработкой реза­нием для получения требуемых размеров и качества поверхностного слоя готовой детали /. Размеры детали увеличивают на величину припусков в местах, которые подлежат обработке резанием. Припуск 2 зависит от размеров поковки, ее конфигу­рации, типа оборудования, применяемого для изготовления поковки, и других фак­торов. Чем больше размеры поковки, тем больше припуск.

Допуск 4 - допустимое отклонение от номинального размера поковки, простав­ленного на ее чертеже, т.е. разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами поковки. Допуск назначают на все размеры поковки.

Конфигурацию поковки иногда упро­щают за счет напусков 3 - объема метал­ла, добавляемого к поковке сверх припус­ка для упрощения ее формы и, следова­тельно, процесса ковки. Напуски 3 удаля­ют последующей обработкой резанием. Припуски, допуски и напуски назначают в строгом соответствии с ГОСТом.

Выбор заготовки осуществляют по ее массе, которая может быть подсчитана по формуле

~ ™ ^М(пр

где т_шг - масса исходной заготовки; т_пок -масса поковки, подсчитываемая как про­изведение объема поковки на плотность металла; /и_пр - масса отхода с прибыльной частью слитка; т_т - масса отхода с дон­ной частью слитка; т_уг - масса отхода на угар (окалинообразование) при нагреве; т_т - масса технологических отходов.

_I-

_-£

Рис. 3.23. Схема размеров поковки

А-А

пок ном

пок max

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

83

Отходы с прибыльной частью состав­ляют 14 ... 30 %, а с донной 4 ... 7 %; на угар - в среднем 2 ... 2,5 % массы нагре­ваемого металла при нагреве холодной заготовки и -1,5 % при каждом подогреве. Технологические отходы (обрубки, выдры и т.п.) зависят от формы поковки и приня­той последовательности ковки. При ковке из прокатанной заготовки гпщ, и т_т отсут­ствуют. Размеры поперечного сечения заготовки выбирают с учетом обеспечения необходимой уковки. Достаточной уков-кой для слитков считается 2,5 ... 3, а для проката можно принимать 1,3 ... 1,5.

Оборудование для ковки выбирают в зависимости от режима ковки данного металла или сплава, массы поковки и ее конфигурации. Необходимую мощность оборудования обычно определяют по при­ближенным формулам или справочным таблицам.

Ковку выполняют на ковочных моло­тах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты - машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их соударения с заготовкой. Поэтому при выборе молотов руководствуются массой их падающих частей. Энергия, накоплен­ная падающими частями, не вся расходу­ется на деформирование заготовки. Часть ее теряется на упругие деформации инст­румента и колебания шабота - детали, на которую устанавливают нижний боек. Чем больше масса шабота, тем больше КПД. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей, что обеспечивает КПД удара г)_уд = 0,8 ... 0,9.

Одним из основных типов молотов для ковки являются паровоздушные молоты. Такие молоты приводятся в действие па­ром или сжатым воздухом давлением 0,7 ... 0,9 МПа. В зависимости от конст­рукции станины паровоздушные ковочные молоты бывают арочные, мостовые и од­ностоечные.

Рис. 3.24. Схема паровоздушного молота арочно­го типа

На станине 4 арочного молота (рис. 3.24) смонтирован рабочий цилиндр 1 с паро­распределительным устройством 11. При нажатии педали или рукоятки управления сжатый пар или воздух по каналу 12 по­ступает в верхнюю полость цилиндра 1 и давит на поршень 2, соединенный штоком 3 с бабой 5, к которой прикреплен верхний боек 6. В результате падающие части 2, 3, 5 и б перемещаются вниз и наносят удары по заготовке, уложенной на нижний боек 7, неподвижно закрепленный на массив­ном шаботе 8. При подаче сжатого пара по каналу 10 в нижнюю полость цилиндра 1 падающие части поднимаются в верхнее положение. Перемещение бабы 5 проис­ходит в направляющих 9. В ковочных мо­лотах станина 4 и шабот 8 закреплены на фундаменте по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать заготовками и кузнечным инструментом, необходимо иметь доступ к бойкам со всех сторон.

Молоты могут совершать удары с раз­ной энергией, зажимать поковки между бойками и удерживать бабу на весу. Ко-

84

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

вочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей 1000 ... 8000 кг. На этих молотах изготовляют поковки средней массы (20 ... 350 кг), преимуще­ственно из прокатанных заготовок.

Гидравлические прессы - машины ста­тического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл де­формируется приложением силы, созда­ваемой с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла), пода­ваемой в рабочий цилиндр пресса. В Рос­сии ковочные гидравлические прессы строят усилием 5 ... 100 МН для изготов­ления крупных поковок в основном из слитков.

Последовательность операций ковки устанавливают в зависимости от конфигу­рации поковки и технологических требо­ваний на нее, вида заготовки (слиток или прокат). В качестве примера на рис. 3.25 приведена последовательность ковки по­лого массивного цилиндра из слитка на гидравлическом прессе. Цилиндр куют из стального слитка (сталь 40) массой 18 т с пяти нагревов. После первого нафева протягивают прибыльную часть под па­трон и сам слиток на диаметр 1000 мм, отрубают донную и прибыльную части слитка (рис. 3.25, а). После второго нафе­ва выполняют осадку, прошивку отвер­стия и раскатку на оправке (рис. 3.25, б), после третьего нафева - посадку на оп­равку и протяжку на длину 1100 мм (рис. 3.25, в), после четвертого - посадку на оправку и протяжку средней части на диаметр 900 мм (рис. 3.25, г). После пято­го нафева (нафевают только конец А) заковывают конец А.

Технологические требования к дета­лям, получаемым из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что по­ковки должны быть наиболее простыми, очерченными цилиндрическими поверх­ностями и плоскостями (рис. 3.26, / - 4). В поковках следует избегать конических (рис. 3.26, 5) и клиновых (рис. 3.26, б) форм. Необходимо учитывать трудности выполнения ковкой участков пересечений

Заготовка-слиток

а) ~ /

/J-сЛ-, i,, i j *al_ /271

б)

*"Ш$ *

Поковка

Рис. 3.25. Последовательность операций ковки полого цилиндра из слитка

цилиндрических поверхностей между со­бой (рис. 3.26, 7) и с призматическими поверхностями (рис. 3.26, 8). В поковках следует избегать ребристых сечений, бо­бышек, выступов и т.п., учитывая, что эти элементы изготовить ковкой трудно. В местах сложной конфигурации прихо­дится прибегать к напускам в целях упро­щения конфигурации поковки, что вызы­вает удорожание детали. Кроме того, сле­дует стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наи­более благоприятное расположение воло­кон.

Механизация ковки - важная задача улучшения условий труда и повышения производительности, так как ковка - тру­доемкий и малопроизводительный про­цесс. При ковке массивных поковок мно­гие операции вообще не могут быть осу­ществлены вручную.

Для посадки заготовок (слитков) в печь и выдачи их из печи кроме мостовых и консольно-поворотных кранов применяют специальные посадочные машины на­польного или подвесного типа. Ковку на прессах и молотах можно механизировать с помощью различных кранов, кантовате­лей и манипуляторов.

Молоты обслуживаются обычно кон-сольно-поворотными кранами, прессы -мостовыми кранами. Кантователь - меха-

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

85

Правильно нежелательно

_{э *е£В^}

Q

_,г^Л

Рис. 3.26. Правильные и нежелательные формы поковок

низм, подвешиваемый к крюку крана и позволяющий поворачивать слиток вокруг его продольной оси (дополнительно к тем движениям, которые обеспечивает сам кран).

Манипулятор представляет собой те­лежку, которая может перемещаться по железнодорожным рельсам (рельсовый манипулятор) либо без них (безрельсовый манипулятор). На тележке устанавливают электрические или гидравлические приво­ды, осуществляющие перемещение самой тележки и движение захвата. Захват зажи­мает заготовку, производит кантовку -вращение вокруг продольной оси и пере­мещает ее вверх-вниз. Имеются манипу­ляторы, у которых кроме этого захват по­ворачивается вокруг вертикальной оси. Грузоподъемность манипуляторов дости­гает 120 т.

Начинают применять автоматизиро­ванные процессы ковки, при которых ра­ботой пресса и манипулятора управляют электронные устройства по заданной про-

грамме. Для повышения точности поковок находят применение устройства (фотоэле­менты, датчики с радиоактивными изото­пами), регламентирующие положение ра­бочего инструмента в заключительный момент ковки.

3. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА

Наличие большого разнообразия форм и размеров штампованных поковок, а так­же сплавов, из которых их штампуют, обусловливает существование различных способов штамповки.

Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно считать основным для классификации способов штамповки. В зависимости от типа штам­па выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах.

Штамповка в открытых штампах (рис. 3.27, а) характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла - облой, который закрыва­ет выход из полости штампа и заставляет остальной металл целиком заполнить всю полость. В конечный момент деформиро­вания в облой выжимаются излишки ме­талла, находящиеся в полости, что позво­ляет не предъявлять высоких требований к точности заготовок по массе. Облой затем обрезается в специальных штампах. Штамповкой в открытых штампах можно получать поковки практически всех типов (см. рис. 3.19).

Штамповка в закрытых штампах (рис. 3.27, б, в) характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирова­ния остается закрытой. Зазор между под­вижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование облоя в нем не преду­смотрено. Устройство таких штампов за­висит от типа машины, на которой штам­пуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя - выступ (на прессах), или наоборот (на молотах).

86

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.27. Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах: / - облойная канавка

Закрытый штамп может иметь не одну, а две взаимно перпендикулярные плоско­сти разъема, т.е. состоять из трех частей (рис. 3.27, в).

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуе­мого. Следовательно, в этом случае про­цесс получения заготовки усложняется, поскольку отрезка заготовок должна обес­печивать высокую точность. Как правило, штамповкой в закрытых штампах получа­ют поковки групп 7 и 2 (см. рис. 3.19).

Существенное преимущество штам­повки в закрытых штампах - уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в облой. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную структуру, так как волокна обтекают кон­тур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. При штамповке в закрытых штампах металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напря­жениях, чем в открытых штампах. Это позволяет получать большие степени де­формации и штамповать малопластичные сплавы.

К штамповке в закрытых штампах можно отнести штамповку выдавливанием и прошивкой, так как штамп в этих случа­ях выполняют по типу закрытого и отхода в заусенец не предусматривают. Дефор-

мирование металла при горячей штампов­ке выдавливанием и прошивкой происхо­дит так же, как при холодном прямом и обратном выдавливании.

Схема технологического процесса штамповки в основном определяется кон­фигурацией и размером детали, которую необходимо получить.

Чертеж поковки составляют по чер­тежу детали. При получении поковки в открытом штампе прежде всего необхо­димо правильно выбрать поверхность разъема, т.е. поверхность, по которой со­прикасаются между собой верхняя и ниж­няя половины штампа. Обычно эта по­верхность является плоскостью или соче­танием плоскостей. Плоскость разъема должна быть выбрана такой, чтобы поков­ка свободно вынималась из штампа. В целях облегчения заполнения металлом полости штампа желательно выбрать плоскость разъема таким образом, чтобы полости штампов имели наименьшую глу­бину. При штамповке возможен сдвиг од­ной половины штампа относительно дру­гой. Чтобы такой сдвиг можно было легко контролировать, плоскость разъема долж­на пересекать вертикальную поверхность поковки (рис. 3.28). Желательно плоскость разъема располагать так, чтобы естествен­ные уклоны облегчили извлечение поков­ки из штампа (рис. 3.28, б).

Припуски на механическую обработ­чику назначают главным образом на со­прягаемые поверхности детали. Величина припуска зависит от габаритных размеров

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

87

_Ф--Ф

_±

\\

-п.

а)

а)

б)

Рис. 3.28. Выбор плоскости разъема штампа: а - неправильно; б - правильно

й, ММ

О 200 400 а;Ь,мц

Рис. 3.29. Зависимость величины припуска Д от габаритных размеров и массы штампованной на прессе стальной поковки

и массы поковки (рис. 3.29), от вида обо­рудования штамповки, требований к точ­ности и шероховатости детали; припуск выбирают по ГОСТу. Допуски на штам­повку назначают также по ГОСТу; допус­ки учитывают возможные отклонения от номинальных размеров вследствие не до-штамповки по высоте, сдвига штампов, их износа и т.п.

Для облегчения заполнения полости штампа и извлечения из нее поковки бо­ковые поверхности последней должны иметь штамповочные уклоны. Штампо­вочные уклоны назначают сверх припуска; они повышают отход металла при механи­ческой обработке и утяжеляют поковку. Уклон зависит от глубины и сложности полости, применяемого для штамповки оборудования и колеблется для стальных

г)

Рис. 3.30. Примеры составления чертежа по­ковки:

а - деталь; б - поковка при штамповке в открытом штампе; в - то же, в закрытом штампе с одной плос­костью разъема; г - то же, в закрытом штампе с дву­мя плоскостями разъема

поковок в пределах 3 ... 10°. Для наруж­ных поверхностей поковки (вследствие температурной усадки) штамповочные уклоны а принимают меньшими, чем для внутренних р (рис. 3.30).

Все пересекающиеся поверхности по­ковки сопрягаются по радиусам. Это не­обходимо для лучшего заполнения полос­ти штампа и предохранения его от преж-

88

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

девременного износа и поломок. Радиусы скругления зависят от глубины полости. Внутренние радиусы R скругления в 3 ... 4 раза больше, чем наружные радиусы г (см. рис. 3.30). Наружные радиусы скруг­ления г составляют обычно 1 ... 6 мм.

При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквозное отверстие в поковке, поэтому наносят только наметку отверстия с пере­мычкой-пленкой, удаляемой впоследствии в специальных штампах. Штамповкой не всегда можно получить полностью тре­буемую конфигурацию поковки, поэтому на отдельных участках поковок могут быть сделаны напуски, упрощающие фор­му. В частности, при диаметрах отверстия, меньших 30 мм, наметки в поковках не делают.

Изменив все размеры спроектирован­ной поковки на величину усадки, получа­ют чертеж горячей поковки, по которому изготовляют полость штампа.

При штамповке в открытых штампах вдоль внешнего контура полости выпол­няют специальную облойную канавку штампа (см. рис. 3.27, 1). Для обеспечения хорошего заполнения металлом полости штампа и повышения его стойкости осо­бенно большое значение имеет толщина облоя /г_об, которую, как и другие размеры облойной канавки, подсчитывают по фор­мулам в зависимости от конфигурации поковки.

Чертеж поковки при штамповке в за­крытых штампах с одной плоскостью разъема составляют так же, как при штам­повке в открытых, но плоскость разъема выбирают по торцовой наибольшей по­верхности детали (см. рис. 3.30, в). Со­ставление чертежа поковки при штампов­ке в закрытых штампах с двумя взаимно перпендикулярными плоскостями разъема имеет свои специфические особенности. Прежде всего наличие двух плоскостей разъема не требует на поковках напусков там, где они необходимы в штампах с од-

ной плоскостью разъема (рис. 3.30, г). Штамповочные уклоны назначают значи­тельно меньшего размера или их можно совсем не предусматривать.

Технологические требования к дета­лям, получаемым из штампованных поко­вок, определяются прежде всего тем, что их обычно обрабатывают только по сопря­гаемым поверхностям, а большинство по­верхностей впоследствии не обрабатыва­ются. Поэтому при проектировании самой детали конструктор должен учитывать особенности процесса штамповки. Прежде всего необходимо представить, как будет происходить разъем штампа. Например, деталь, показанную на рис. 3.31, нельзя штамповать без очень больших напусков, так как невозможно выбрать разъем штампа, допускающий извлечение поков­ки. В таком случае желательно изменить конструкцию детали. Заранее установить плоскость разъема необходимо еще и по­тому, что от этого зависят другие элемен­ты конструкции детали (углы наклона стенок, радиусы скруглений и др.).

При проектировании детали следует стремиться к возможно меньшей разности в площадях поперечных сечений на раз­личных участках длины детали, избегать тонких стенок, высоких ребер, длинных отростков и тонких приливов, примы­кающих к плоскости разъема.

i i

Рис. 3.31. Пример неправильной конструкции поковки

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

89

S,MM

О SO О W00 1500 F.CM*

Рис. 3.32. Зависимость толщины полотна S от площади проекции детали на плоскость разъе­ма F для стали / и алюминиевых сплавов 2

Наименьшая толщина полотна поковки в плоскости разъема штампов не должна быть меньше рекомендуемых минималь­ных значений, зависящих от размеров и материала детали (рис. 3.32). Высота ре­бер и расстояние между ними связаны между собой и толщиной полотна поков­ки: чем меньше последняя, тем меньше должна быть высота ребер, а с увеличени­ем высоты ребер расстояние между ними должно увеличиваться. В противном слу­чае значительно возрастает сила, необхо­димая для заполнения штампа, уменьша­ется его стойкость.

Необходимо проверять в каждом от­дельном случае целесообразность изго­товления деталей из двух или нескольких частей с последующей сваркой и, наобо­рот, целесообразность объединения в од­ной поковке смежных деталей. Например, при штамповке детали / (рис. 3.33) как целое приходится предусматривать боль­шие напуски; отход металла при после­дующей обработке резанием составляет более 50 % массы поковки. Та же деталь II сварной конструкции значительно проще для штамповки по частям; в этом случае можно отштамповать наметки отверстий, уменьшить отход металла.

Заготовками для горячей штампов­ки в подавляющем большинстве случаев

служит прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также перио­дический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя ино­гда штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине. Мерные заготовки отрезают от прутка различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механи­ческими пилами, газовой резкой и т.д.

На ножницах пруток 1 подают по роль­гангу б до регулируемого упора 4, прижи­мают к неподвижному ножу 5 прижимом 2, а подвижной нож 3 отделяет от прутка заготовку необходимой длины.

Ножи могут быть для круглых (рис. 3.34, а) и квадратных (рис. 3.34, б) прутков. Этот способ получения мерных заготовок наиболее производителен, одна­ко отклонение их длины составляет 1 ... 5 мм и торец заготовок получается неров­ным.

Поковки простой конфигурации, не имеющие большой разности сечений по высоте (длине), обычно штампуют в штампах с одной полостью, т.е. в одно-ручьевых штампах. Поковки сложной конфигурации с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью штамповать в одноручьевом штампе из прокатанных заготовок постоянного про­филя невозможно (иначе штамповка со­провождается недопустимо большим от­ходом в облой).

■Ш№-«тт

Рис. 3.33. Упрощение способа штамповки пу­тем последующей сварки отдельных частей поковки

90

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

по А

^-ф

■^и

а)

0)

Рис. 3.34. Схема отрезки заготовки от прутка на пресс-ножницах с ножами для круглых (а) и квад­ратных (б) прутков

При штамповке небольшой партии по­ковок фасонную заготовку можно полу­чить ковкой, однако производительность такого способа низка.

При изготовлении очень большого числа одинаковых поковок (в автотрак­торной, авиационной промышленности и др.) значительного экономического эф­фекта достигают применением фасонных заготовок из периодического проката. В этом случае пруток с периодически по­вторяющимся профилем сечения состоит из элементов однотипных конфигураций, каждый из которых представляет собой подготовленную для штамповки заготов­ку. На рис. 3.7, б показаны примеры пе­риодического проката для штамповки в автомобильной промышленности.

Получить фасонную заготовку из про­ката круглого или квадратного профиля можно и вальцовкой на ковочных вальцах непосредственно перед штамповкой (с одного нагрева). Вальцовка является, по существу, продольной прокаткой, осуще­ствляемой между двумя валками с закреп­ленными на них секторными штампами (см. рис. 3.39, а).

Поковка W"—\^jkv Заготовка

Рис. 3.35. Многоручьевой штамп

Чаще всего в настоящее время фасонную заготовку получают в заготовительных ручьях штампов. Этот способ в зависимости от характера производства осуществляют либо в одном многоручьевом штампе, либо в нескольких одноручьевых, установленных на отдельных штамповочных машинах. В первом случае в одном блоке расположе­ны полости (ручьи) для получения фасонной заготовки и окончательного формообразо­вания поковки (рис. 3.35).

Ручьи в многоручьевых штампах под­разделяют на заготовительные и штампо­вочные. К заготовительным ручьям, слу­жащим для получения фасонной заготов­ки, относятся протяжной, подкатнои, ги­бочный, площадка для осадки и др.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

91

Протяжной ручей / (рис. 3.35) служит для увеличения длины отдельных участ­ков заготовки за счет уменьшения площа­ди их поперечного сечения. Ручей выпол­няют в форме бойков, образующих порог протяжного ручья; деформация заготовок в нем аналогична операции протяжки на плоских бойках при ковке. Из протяжного ручья в зависимости от конфигурации по­ковки заготовка может поступать в штам­повочный ручей или другие заготовитель­ные ручьи.

Подкатной ручей 2 служит для местно­го увеличения сечения заготовки (набора металла) за счет уменьшения сечения ря­дом лежащих участков, т.е. для распреде­ления объема металла вдоль оси заготовки в соответствии с распределением его в поковке. При обработке в подкатном ру­чье заготовку поворачивают вокруг оси после каждого удара.

Гибочный ручей 3 применяют только прн штамповке поковок, имеющих изо­гнутую ось; он служит для придания заго­товке формы, соответствующей форме поковки в плоскости разъема. Из гибочно­го ручья в следующий ручей заготовку передают с поворотом на 90°.

При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности нли близкую к ней, часто применяют осадку исходной заготовки до требуемых размеров по вы­соте и диаметру. Для этой цели на плоско­сти штампа предусматривают площадку для осадки.

К штамповочным ручьям относят окончательный (чистовой) ручей и пред­варительный (черновой). Чистовой ручей служит для получения готовой поковки и по конфигурации точно соответствует горячей поковке. Назначение чернового ручья 4 заключается в основном в сниже­нии износа чистового. При наличии чер­нового ручья в нем происходит основное формообразование, в чистовом же ручье получают требуемые размеры поковки. Черновой ручей применяю при штамповке поковок сложной конфигурации. За от­дельными исключениями форму полости

чернового ручья принимают такой же, как у чистового, но радиусы скруглений и ук­лоны увеличивают, а поперечные размеры в плоскости разъема устанавливают не­много меньше размера в полости чистово­го ручья. При штамповке в открытых штампах черновой ручей облойной канав­ки не имеет.

Вопрос о применении тех или иных ручьев и различных их комбинаций ре­шают при разработке технологического процесса штамповки в зависимости от конфигурации и габаритных размеров по­ковки, а также от особых требований в отношении направления волокна макро­структуры.

В многоручьевом штампе (см. рис. 3.35) чистовой ручей 5 расположен в центре штампа, так как при штамповке наиболь­шее усилие возникает в нем. По краям штампа располагают ручьи, в которых деформирующие силы штамповки наи­меньшие, чтобы уменьшить эксцентрично приложенную на штамповочное оборудо­вание нагрузку.

Размеры исходной заготовки можно определить, предварительно подсчитав ее объем, который равен сумме объемов по­ковки, облоя (при штамповке в открытых штампах) и отхода в окалину. Объем по­ковки определяют по ее чертежу; объем облоя - по нормалям в зависимости от размера и конфигурации поковки (объем облойной канавки в 1,3 ... 1,5 раза больше объема облоя). Отход в окалину зависит от способа нагрева. При штамповке осад­кой заготовки в торец (поковки, см. на рис. 3.19, /) размеры ее подсчитывают из условия

1,25 </₃aiM,ar< 2,5,

где /_Заг - длина заготовки; d,_ir - диаметр заготовки (или сторона квадрата).

При меньшем отношении длины к диаметру затрудняется отрезка заготовок, при большем возможен продольный изгиб при осадке.

Оборудование для горячей объемной штамповки: молоты, горячештамповоч-

92

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

ные кривошипные прессы, горизонтально-ковочные машины, гидравлические прес­сы и машины для специализированных процессов штамповки. Процессы штам­повки на этих машинах имеют свои осо­бенности, обусловленные устройством и принципом их действия.

Основным видом штамповочных моло­тов являются паровоздушные штамповоч­ные молоты. Принцип их действия тот же, что и у паровоздушных ковочных моло­тов, но конструкция другая.

У штамповочных молотов стойки ста­нины устанавливают непосредственно на шаботе. Эти молоты имеют усиленные регулируемые направляющие для движе­ния бабы. Масса шабота у штамповочных молотов в 20 ... 30 раз больше массы па­дающих частей. Все эти конструктивные особенности обеспечивают необходимую при штамповке точность соударения штампов.

Паровоздушные штамповочные моло­ты строят с массой падающих частей 630... 25 000кг.

На молотах штампуют поковки разно­образных форм преимущественно в мно­горучьевых открытых штампах. Посколь­ку ход молота нежесткий, штамп конст­руируют так, чтобы при последнем ударе его половинки сомкнулись по плоскости соударения. На молоте обычно штампуют за несколько (три - пять) ударов. После каждого удара баба молота уходит вверх, и в процессе деформирования наступает перерыв. Это приводит к тому, что часть поковки, деформируемая в верхнем штам­пе, охлаждается менее интенсивно, чем нижняя часть поковки. Поэтому на моло­тах верхняя полость штампа заполняется металлом лучше, чем нижняя. Течение металла облегчается также благодаря то­му, что после каждого удара окалина от­валивается от поверхности заготовки и выдувается сжатым воздухом из штампа.

У бесшаботных паровоздушных моло­тов шабот заменен подвижной бабой, со­единенной с верхней бабой механической

или гидравлической связью. При соударе­нии верхней и нижней баб развивается значительная энергия (до 1 МДж), что по­зволяет штамповать на этих молотах крупные поковки преимущественно в од-норучьевых штампах (ввиду подвижности обоих штампов многоручьевая штамповка на них затруднена).

Кинематическая схема горячештам-повочного кривошипного пресса приведена на рис. 3.36. Электродвигатель 4 передает движение клиновыми ремнями на шкив 3, сидящий на приемном (промежуточном) валу 5, на другом конце которого закреп­лено малое зубчатое колесо б. 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 /.

Рис. 3.36. Кинематическая схема горячештам-повочного кривошипного пресса

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

93

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 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 горяче-штамповочного 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 сече-

ний по длине требуется применение предва­рительно профилированных заготовок.

Течение металла при штамповке на прессах отличается от течения в молото­вом штампе, что необходимо иметь в виду при проектировании технологического процесса. Поскольку скорость деформи­рования на прессах ниже, время контакта металла с инструментом больше, чем на молотах. Это приводит к переохлаждению поверхности заготовки и худшему запол­нению полости штампа. В то же время, если при штамповке на-молоте облой ме­жду ударами остывает и препятствует те­чению металла в стороны, то на прессе при деформировании за один ход в облой поступает наиболее нагретый металл. В результате течение его в горизонталь­ном направлении происходит легче, чем в вертикальном. Поэтому для хорошего за­полнения прессового штампа плоскость разъема выбирают вблизи торца поковки, так что полость в одной из частей штампа получается значительно глубже другой.

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 облоя, поэтому полость для него делается открытой в отличие от молотовых штампов.

Определение деформирующей силы, требуемой для штамповки на кривошип­ном горячештамповочном прессе, имеет важное значение, так как при недостаточ­ном усилии пресса может произойти его поломка. Существуют аналитические экс­периментально проверенные формулы для определения деформирующей силы при штамповке с достаточной степенью точ­ности. Благодаря наличию выталкивателей на прессах удобно штамповать в закрытых штампах выдавливанием и прошивкой. Кривошипные горячештамповочные прессы строят усилием 6,3 ... 100 МН; такие прессы успешно заменяют штамповочные молоты с массой падающих частей 0,63 ... 10 т.

94

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 3.37. Кинематическая схема горизонталь­но-ковочной машины

Кинематическая схема горизонтально-ковочной машины представлена на рис. 3.37. Главный ползун 7, несущий пу­ансон, приводится в движение от криво­шипного вала 6 с помощью шатуна 5. Подвижная щека / приводится от боково­го ползуна 3 системой рычагов 2; боковой ползун, в свою очередь, - кулачками 4, сидящими на конце кривошипного вала машины. Горизонтально-ковочные маши­ны создают усилие на главном ползуне до 31,5 МН.

Горизонтально-ковочные машины име­ют штампы, состоящие из трех частей (рис. 3.38): неподвижной матрицы 3, под­вижной матрицы 5 и пуансона /, размы­кающихся в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях. Пруток 4 с нагретым уча­стком на его конце закладывают в непод­вижную матрицу 3. Положение конца прутка определяется упором 2. При вклю­чении машины подвижная матрица 5 при­жимает пруток к неподвижной матрице, упор 2 автоматически отходит в сторону, и только после этого пуансон / соприкаса­ется с выступающей частью прутка и де­формирует ее. Металл при этом заполняет формующую полость в матрицах, распо­ложенную впереди зажимной части. Фор­мующая полость может находиться не только в матрице, но и совместно в матри­це и пуансоне, а также только в одном пуансоне.

Рис. 3.38. Схемы основных операций при штам­повке на горизонтально-ковочной машине: а - высадка; б - высадка - набор металла; в - про­шивка; г - пробивка

После окончания деформирования пу­ансон движется в обратном направлении, выходя из полости матрицы; матрицы разжимаются, и деформированную заго­товку вынимают или она выпадает из них. Штамповку на горизонтально-ковочной машине можно выполнять за несколько переходов в отдельных ручьях, оси кото­рых расположены одна над другой. Каж­дый переход осуществляется за один ра­бочий ход машины.

Основные операции при штамповке на горизонтально-ковочных машинах - вы­садка (см. рис. 3.38. а, б), прошивка (см. рис. 3.38, в) и пробивка (см. рис. 3.38, г).

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

95

Вне зависимости от конфигурации по­лости пуансона или матрицы за один пе­реход можно высадить выступающий из зажимной части матрицы конец прутка только в том случае, если длина его не превышает трех диаметров. При большей длине возможен изгиб заготовки, поэтому необходимо предварительно произвести так называемый набор металла, т.е. посте­пенно в специальных наборных ручьях увеличить поперечное сечение заготовки, уменьшая длину высаживаемой части. Набор металла (см. рис. 3.38, б) предпоч­тительнее осуществлять в полости пуан­сона /, которой придают коническую форму. При этом меньший диаметр конуса приблизительно равен диаметру исходно­го прутка d; максимальный диаметр D не должен превышать l,5d, а длина свобод­ного участка - а не должна превышать двух диаметров исходного прутка.

На горизонтально-ковочных машинах в основном штампуют поковки типа стержня с фланцем, кольца или стакана (см. рис. 3.16, 1,2 vi 3,6). Так как штамп состоит из трех частей, напуски на поковках и штампо­вочные уклоны малы или отсутствуют.

Исходным материалом для штамповки на горизонтально-ковочных машинах обычно служит прокат круглого сечения. Чаще всего штампуют от прутка, из кото­рого получают несколько поковок. Диа­метр исходного прутка зависит от конфи­гурации поковки. Так как операцию про­тяжки на горизонтально-ковочной машине не производят, площадь поперечного се­чения прутка должна быть не больше ми­нимальной площади поперечного сечения поковки.

Точность поковок и производитель­ность штамповки не ниже, чем в случае использования кривошипных горяче-штамповочных прессов. Несмотря на ука­занные преимущества горизонтально-ковочные машины менее универсальны (по сравнению с молотами и прессами), имеют более высокую стоимость.

Гидравлические штамповочные прессы по своему устройству принципиально не

отличаются от ковочных. Усилие совре­менных гидравлических штамповочных прессов достигает 750 МН.

На гидравлических прессах штампуют поковки типа дисков, коленчатых валов, различного рода рычагов, кронштейнов, сферических днищ, цилиндрических ста­канов. Особое значение имеет штамповка на гидравлических прессах крупногаба­ритных панелей и рам из легких сплавов в самолетостроении. Исходными заготовка­ми являются прокат (в том числе листо­вой) и полуфабрикат ковки. Перед заклад­кой в штамп нагретая заготовка должна быть очищена от окалины.

Штампуют в открытых и закрытых штампах (с одной и двумя плоскостями разъема), как правило, в одном ручье.

На гидравлических прессах осуществ­ляют изотермическую штамповку. При этом способе горячее деформирование происходит в изотермических условиях, когда штампы и окружающее их ограни­ченное пространство нагревают до темпе­ратуры деформации сплава. Чтобы обес­печить полное протекание разупрочняю-щих процессов во время деформации, штампуют при низких скоростях дефор­мирования. Температура нагрева рабочей зоны установки и штампов, изготовляе­мых из жаропрочного сплава, может дос­тигать 900 °С. Для нагрева используют индукторы, встроенные в установку.

Изотермическая штамповка значительно повышает пластичность деформируемого сплава и снижает силу деформирования.

4. РОТАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК

В основе этих способов лежит процесс ротационного обжатия при вращении ин­струмента или заготовки. При обкатыва­нии инструментом заготовки очаг дефор­мации имеет локальный характер и посто­янно перемещается по заготовке, вследст­вие чего сила, действующая на инстру­мент, меньше, чем при штамповке. Это позволяет изготовлять поковки большей

96

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

массы (например, заготовки вагонных осей) с высокой точностью, так как упру­гие деформации при меньших силах меньше.

Штамповка на ковочных вальцах напоминает продольную прокатку в одной рабочей клети, на двух валках которой закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи (рис. 3.39, а).

Нагретую заготовку / подают до упора 2 в тот момент, когда секторные штампы 3 расходятся. При повороте валков происхо­дят захват заготовки и обжатие ее по форме полости; одновременно с обжатием заготов­ка выталкивается в сторону подачи.

На вальцах изготовляют поковки срав­нительно несложной конфигурации, типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т.п. Кроме того, на вальцах фасонируют заготовки для последующей штамповки, чаще всего на горячештамповочных кри­вошипных прессах. Профилируют и штам­пуют в одном или нескольких ручьях. Ис­ходное сечение заготовки принимают рав­ным максимальному сечению поковки, так как при вальцовке происходит главным образом протяжка.

Штамповка на ротационно-ковоч-ных машинах подобна операции протяж­ки и заключается в местном обжатии заготовки цо ее периметру. Заготовку / (рис. 3.39, б) в виде прутка или трубы по­мещают в отверстие между бойками 5 машины, находящимися в шпинделе 4.

Бойки могут свободно скользить в ради-ально расположенных пазах шпинделя. При вращении шпинделя ролики 3, поме­щенные в обойме 2, толкают бойки 5, ко­торые наносят удары по заготовке. В ис­ходное положение бойки возвращаются под действием центробежных сил. В ма­шинах этого типа получают поковки, имеющие форму тел вращения. Сущест­вуют машины, у которых вместо шпинде­ля с бойками вращается обойма с ролика­ми; в этом случае для возвратного движе­ния ползунов служат пружины. В таких машинах получают поковки квадратного, прямоугольного и других сечений.

Типовыми поковками, изготовляемыми радиальным обжатием, являются различ­ного рода ступенчатые цилиндрические или конические валики, трубы с оттяну­тыми на конус концами и т.п.

Поперечно-клиновой прокаткой

(рис. 3.39, в) получают заготовки валов и осей (см. рис. 3.19, За) с резкими ступен­чатыми переходами диаметром от 12 до 130 мм. Деформирование может осущест­вляться инструментом в виде двух валков, валка и сегмента или двух плоских плит. Плоскоклиновой инструмент наиболее прост в изготовлении и обеспечивает по­лучение валов сложной конфигурации с высокой точностью: допуски на диамет­ральные размеры 0,2 ... 0,4 мм, на линей­ные 0,3 ... 0,5 мм. Заготовка 2 в виде

г^Щзз

Рис. 3.39. Схемы действия ковочных вальцов (а), ротационно-ковочной машины (б), станов попе­речно-клиновой прокатки (в) и раскатки (г)

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

97

круглого прокатанного прутка после на­грева автоматически перемещается в ра­бочую зону клиньев / в их исходном по­ложении. Клиновой инструмент, закреп­ленный в подвижной салазке стана, со­вершает прямолинейное движение, и заго­товка прокатывается между двумя клино­выми плитами (см. рис. 3.39, в).

Раскатка кольцевых заготовок на раскатных станах получила особенно большое распространение при производ­стве колец подшипников. Схема процесса показана на рис. 3.39, г. Заготовка / пред­ставляет собой кольцо с меньшим диамет­ром и большей толщиной стенки, чем у поковки. Заготовки под раскатку получа­ют штамповкой на горизонтально-ковоч­ных машинах или на молотах. При подве­дении к заготовке /, надетой на валок 2, быстровращающегося валка 3 заготовка и валок 2 начинают вращаться. При даль­нейшем сближении валков 2 к 3 увеличи­вается наружный диаметр заготовки за счет уменьшения толщины и происходит ее контакт с направляющим роликом 4, обеспечивающим получение правильной кольцевой формы поковки. После касания поковкой контрольного ролика 5 раскатка прекращается.

Раскаткой получают поковки колец с поперечными сечениями различной фор­мы (зависящими от профиля валков) на­ружным диаметром 70 ... 700 мм и шири­ной 20... 180 мм (см. рис. 3.19, 1,6).

Горячая накатка зубчатых колес на­ходит применение, в частности, в автомо­бильной и тракторной промышленности. Сущность процесса заключается в обкатке нагретой штучной или прутковой заготов­ки в зубчатых валках.

Принципиальная схема одного из спо­собов горячей накатки показана на рис. 3.40. Поверхностный слой цилиндри­ческой заготовки / нагревается током по­вышенной частоты с помощью индуктора 2. Зубчатый валок получает принудитель­ное вращение и радиальное перемещение под действием силы со стороны гидравли­ческого цилиндра. Благодаря радиальной

4 - 9503

Рис. 3.40. Схема горячей накатки зубьев зубча­того колеса

силе зубчатый валок 4, постепенно вдав­ливаясь в заготовку /, формует на ней зу­бья. Ролик 3, свободно вращаясь на валу, обкатывает зубья по наружной поверхно­сти. После прокатки прутковой заготовки ее разрезают на отдельные шестерни. Процесс осуществляют на автоматических и полуавтоматических установках, напри­мер на полуавтомате горячего накатыва­ния зубьев конических колес диаметром 175 ... 350 мм и модулем до 10 мм.

Изготовление зубчатых колес методом горячего накатывания повышает износо­стойкость и усталостную прочность зубь­ев на 20 ... 30 %. Это объясняется, в част­ности, благоприятной макроструктурой, при которой волокна обтекают контуры зубьев. Расход металла на 18 ... 40 % мень­ше, чем при получении зубьев на зубона-резных станках, а производительность на­катки в несколько раз выше производитель­ности чернового зубофрезерования.

5. СТРУКТУРА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Общий технологический процесс изго­товления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следую­щих этапов: отрезки проката на мерные заготовки; нагрева; штамповки; обрезки облоя и пробивки пленок; правки; терми­ческой обработки; очистки поковок от окалины; калибровки; контроля готовых поковок.

98

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Для осуществления всех этих этапов штамповочные цехи могут иметь соответ­ствующие отделения, участки или в соста­ве автоматических линий необходимое для них оборудование.

После формоизменения в штамповоч­ных ручьях с поковкой выполняют ряд отделочных или завершающих технологи­ческий процесс штамповки операций. Все поковки, штампуемые в открытых штам­пах, имеют облой в плоскости разъема, а в поковках с внутренними отверстиями ос­таются пленки между наметками (исклю­чая поковки, штампуемые на горизонталь­но-ковочных машинах).

Обрезку облоя и пробивку пленок выполняют с помощью штампов, устанав­ливаемых на кривошипных прессах, по принципу действия аналогичных криво­шипным штамповочным прессам.

При обрезке облоя (рис. 3.41, а) поков­ку 3 укладывают в матрицу 4 так, что она своим облоем ложится на режущие кром­ки матрицы. При нажатии пуансоном / на поковку 3 режущие кромки матрицы сре­зают облой по всему периметру поковки, которая после этого проваливается вниз. Облой остается на матрице, а чтобы он не застревал на пуансоне, применяют съем­ник 2.

При пробивке пленки (рис. 3.41, б) по­ковку 3 укладывают в матрицу 4 и с по­мощью пуансона / пробивают; отход про­валивается через отверстие матрицы в та­ру, установленную под столом пресса. Существуют штампы совмещенного дей­ствия, в которых обрезают облой и проби­вают пленки за один ход пресса.

Рис. 3.41. Схемы обрезки заусенца (а) и про­бивки пленки (б)

Обрезку и пробивку поковок можно выполнять в холодном и горячем состоя­ниях: для мелких поковок из низкоуглеро­дистой и низколегированной сталей - в холодном состоянии. В остальных случаях обрезают облой и пробивают пленку сразу же после штамповки на обрезном прессе, установленном непосредственно около штамповочной машины.

Правку штампованных поковок вы­полняют для устранения искривления осей и искажения поперечных сечений, возни­кающих при затрудненном извлечении поковок из штампа (вследствие застрева­ния поковки в полости штампа), после обрезки облоя, а также после термической обработки. Крупные поковки и поковки из высокоуглеродистых и высоколегирован­ных сталей правят в горячем состоянии либо в чистовом ручье штампа сразу после обрезки облоя, либо на обрезном прессе (обрезной штамп совмещается с правоч-ным), либо на отдельной машине, уста­новленной рядом со штамповочным обо­рудованием (см. 7 на рис. 3.44).

Мелкие поковки можно править в хо­лодном состоянии после термической об­работки.

Очистка поковок от окалины облег­чает условия работы режущего инстру­мента при последующей обработке реза­нием, а также контроль поверхности поко­вок. Очистку осуществляют в барабанах, дробью, травлением.

В барабанах поковки очищают сле­дующим образом. Поковки загружают в барабан с наклонной осью вращения, в котором находятся стальные звездочки. При вращении барабана поковки трутся и ударяются друг о друга и о звездочки, бла­годаря чему окалина сбивается. При очи­стке тяжелых поковок на их поверхности образуются забоины, поэтому таким спо­собом их не очищают.

Дробеструйная очистка заключается в том, что металлическая дробь размером 1 ... 3 мм с большой скоростью ударяет о поверхность поковки и сбивает с нее ока­лину. Скорость дроби задается сжатым

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

99

воздухом в специальных аппаратах. Этим способом очищают мелко- и среднегаба-ритные поковки.

Травлением в водных растворах кислот, нагретых до температуры 40 ... 60 °С, очи­щают крупногабаритные поковки слож­ных конфигураций.

Калибровка поковок повышает точ­ность размеров всей поковки или ее от­дельных участков. Таким образом, после­дующая механическая обработка устраня­ется полностью или ограничивается толь­ко шлифованием. Различают плоскостную и объемную калибровку.

Плоскостная калибровка служит для получения точных вертикальных размеров на одном или нескольких участках поков­ки, ограниченных горизонтальными плос­костями (рис. 3.42, б). При плоскостной калибровке поковку правят в холодном состоянии на кривошипно-коленных прес­сах (рис. 3.42, а). Механизм кривошипно-коленного пресса обеспечивает получение больших усилий на ползуне 2 при сравни­тельно малом крутящем моменте на валу /.

Поскольку калибруют с небольшой степенью деформации (менее 5 ... 10 %), необходимо заранее при штамповке пре­дусматривать припуск на калибровку. Причем с увеличением припуска точность размеров после калибровки уменьшается,

а качество поверхности улучшается. Обычная точность после калибровки со­ставляет ± (0,1 ... 0,25) мм, а допуск при калибровке с повышенной точностью в 2 раза меньше.

Объемной калибровкой (рис. 3.42, в) повышают точность размеров поковки в разных направлениях и улучшают качест­во ее поверхности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими конфигу­рации поковки.

Контроль качества необходим не только для готовых поковок, но и для усло­вий их изготовления на всех этапах, начи­ная от получения исходных заготовок.

При контроле готовых поковок их ос­матривают, выборочно измеряют геомет­рические размеры, твердость. Размеры контролируют универсальными измери­тельными инструментами (штангенцирку­лями, штангенвысотомерами, штангенглу-биномерами и др.) и специальными инст­рументами (скобами, шаблонами и кон­трольными приспособлениями). Несколь­ко поковок из партии иногда подвергают металлографическому анализу и механи­ческим испытаниям. Внутренние дефекты в поковках определяют ультразвуковым методом контроля и рентгеновским про­свечиванием.

Рис. 3.42. Кинематическая схема кривошипно-коленного пресса (а) и схемы плоскостной (б) и объемной (в) калибровок

4*

100

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Автоматизация горячей объемной штамповки предъявляет к структуре тех­нологического процесса определенные требования. Например, стремятся увели­чить число переходов штамповки для снижения нагрузок на инструмент. При автоматической штамповке инструмент работает в более высоком темпе, интен­сивно нагревается вследствие длительного контакта с горячим металлом и имеет, как правило, более сложную конструкцию.

Автоматизируют как отдельные этапы технологического процесса горячей объ­емной штамповки, так и весь его ком­плекс. Широко применяют средства авто­матизации для подачи заготовок в нагре­вательные устройства, их нагрева, подачи нагретых заготовок к кузнечно-прессовым машинам. Наиболее трудные для автома­тизации операции - подача и укладка за­готовки в штамп, перенос ее из ручья в ручей, удаление поковки из штампа. Для некоторых из этих операций при штам­повке на молотах применяют механиче­ские кантователи, поворачивающие заго­товку вокруг оси в подкатных и протяж­ных ручьях; механические укладыватели заготовок в ручей штампа; механические съемники поковок и облоя у обрезных прессов.

Такие особенности горячештамповоч-ных кривошипных прессов, как постоян­ство хода ползуна, безударный характер нагрузки, наличие боковых окон в станине пресса, облегчают механизацию и автома­тизацию штамповки. Существуют устрой­ства (перекладчики) для передачи поковки из чернового в чистовой ручей и удаления ее из штампа и более сложные механизмы (манипуляторы) для подачи заготовок на штамп, их последовательного перемеще­ния из ручья в ручей и удаления поковок из штампа. Эти устройства могут приво­диться в действие от коленчатого вала пресса или от его ползуна.

В массовом производстве поковок шестерен, колец, гаек и тому подобных деталей массой до нескольких килограм­мов применяют автоматы для горячей

штамповки, производительность которых достигает 200 изделий в минуту.

По своей конструкции горячештампо-вочный автомат - кривошипный пресс, на ползуне которого закреплены пуансоны. Через систему зубчатых передач от колен­чатого вала вращение передается на боко­вые распределительные валы, от которых приводятся в действие механизмы отрезки заготовок от прутка и их переноса между позициями штамповки. Автоматы, как правило, имеют три штамповочные пози­ции; штамповка производится одновре­менно на всех позициях с выдачей готовой поковки после каждого хода ползуна. Пруток подается в индукционный нагре­ватель, а из него непосредственно в авто­мат на позицию отрезки штучных загото­вок. На первой позиции (рис. 3.43) проис­ходит осадка отрезанной заготовки с це­лью ее уширения и удаления окалины; на второй - предварительная штамповка, на третьей окончательно формуется поковка с прошивкой отверстия; после прошивки отход проталкивается из нее под действи­ем силы тяжести через наклонное отвер­стие, а поковка снимается с пуансона же­стким съемником.

₊

_И

_I

₀

Ж

₁

Va

ШШ

Рис. 3.43. Переходы штамповки на горяче-штамповочном автомате

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

101

Рис. 3.44. Схема автоматической линии для штамповки поковок коленчатых валов

В цехах горячей штамповки работают комплексные автоматические линии, на которых все этапы изготовления поковки автоматизированы. Например, одна из самых крупных автоматических линий для штамповки коленчатых валов (рис. 3.44) содержит индукционное нагревательное устройство /, ковочные вальцы 3, горя-чештамповочный пресс 4, обрезной пресс

5, выкрутной гидравлический пресс 6 и гидравлический пресс для правки поковок 7, установки для термической обработки 8 и для дробеструйной очистки поковок от окалины. Установки связаны между собой конвейерами Р; роботы 2 осуществляют подачу заготовок в зону деформирования, передачу поковки из ручья в ручей, уклад­ ку поковок на конвейер.

6. ЖИДКАЯ ШТАМПОВКА

Жидкой штамповкой называют техно­логический процесс получения заготовок деталей, при котором кристаллизация жидкого металла, залитого в полость ин­струмента, происходит под высоким дав­лением. Это обеспечивает повышение ко­эффициента теплоотдачи и, следователь-

но, скорости охлаждения, поэтому струк­тура металла получается более мелкозер­нистой, чем в отливках. Кристаллизация под давлением и деформирование предот­вращают образование усадочных раковин и газовой пористости (так как раствори­мость водорода растет с повышением дав­ления). В соответствии с этим получают повышенные механические свойства по­ковок. Наличие высоких давлений улуч­шает заполнение полостей штампов и ка­чество поверхности. Используют разные схемы технологического процесса штам­повки. По основной схеме металл заливают в полость штампа 2 (рис. 3.45, а), соответст­вующую форме поковки, сжимают пуансо­ном / и производят, таким образом, кри­сталлизацию под давлением (рис. 3.45, б). Вторая схема предусматривает частичное затвердевание металла под давлением в полости, отличной от окончательной формы поковки; затем следует деформа­ция в полужидком состоянии до получе­ния окончательных размеров поковки. В третьем случае после полной кристалли­зации давлением следует деформация в твердом состоянии для получения окон­чательных размеров поковки. Эту схему

102

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

а) б)

Рис. 3.45. Стадии процесса жидкой штамповки

надо отличать от встречающегося на про­изводстве процесса горячей штамповки заготовки - отливки, кристаллизация ко­торой происходила не под высоким давле­нием.

Выплавка и дозированная заливка металла в полость штампа - первая ста­дия технологического процесса при всех схемах технологического процесса жид­кой штамповки.

Выплавку металла могут производить или в объеме, необходимом для получения одной поковки, или в плавильном агрегате большего объема (чем необходимо для штамповки одной поковки) с последую­щей дозировкой при заливке металла в штамп. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки: в пер­вом случае металл находится в расплав­ленном состоянии короткое время, что обеспечивает сохранение его химического состава, а плавильно-разливочные устрой­ства с индукционным нагревом можно устанавливать на прессе непосредственно. В другом случае трудно поддерживать химический состав металла при длитель­ной выдержке при температурах, выше температуры плавления; технически слож­но дозировать жидкий металл на порции заданной массы. Однако необходимость плавления при первом способе каждой порции шихты с высокой скоростью (вре­мя расплавления 4 ... 10 мин) для поддер-

жания рабочего такта пресса требует ин­дукционных нагревателей высокой мощ­ности и большого расхода электроэнергии.

Для сталей считают предпочтительной выплывку в плавильно-разливных устрой­ствах; для цветных металлов плавление и поддержание температуры расплавленно­го металла можно осуществлять в печах с большей емкостью.

При заливке очень важно поддержи­вать оптимальную температуру металла, достаточную для обеспечения его жидко-текучести и заполнения полости штампа и, с другой стороны, исключающую перегрев металла. Последний повышает термиче­ские нагрузки на инструмент и ухудшает структуру металла поковки. Необходимо исключить при заливке попадание шлако­вых включений в расплавленный металл. Скорость заливки металла в штамп не должна быть излишне высокой, чтобы не разрушать рабочую поверхность штампа и исключить сварку заготовки со штампом. Для этого же используют защитное по­крытие полости штампа на основе извес­ти, графита, каолина и др.

Штамповку жидкого металла вы­полняют на специализированных гидрав­лических и фрикционных прессах. Спе­циализация прессов обусловлена необхо­димостью большой скорости холостого хода; регулируемым, плавным нажимом на пуансон без резких скачков его пере-

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

103

мещения; необходимостью наличия вы­талкивателей и возможности монтажа плавильно-заливочных устройств. При установке штампа на пресс должна обес­печиваться тепловая изоляция между ними.

Штампы для жидкой штамповки в большинстве случаев состоят из трех формообразующих частей: вкладыша 2 (рис. 3.45), выталкивателя 3 (образующих матрицу) и пуансона /, устанавливаемого на подвижном ползуне пресса. Большое значение имеет правильный зазор между пуансоном и матрицей, поскольку при большом зазоре возможно заклинивание, а при малом - приварка пуансона к вкла­дышу - матрице или задиры на контакти­рующих поверхностях. Материал штам­пов - чаще легированные молибденом стали; для цветных металлов рекомендуют углеродистые стали с максимальным со­держанием углерода около 0,5 %.

Процесс штамповки - кристаллизация и последующая деформация металла в штампе - определяет качество полученной поковки. При этом важный параметр про­цесса - время от конца заливки матрицы жидким металлом до начала кристаллиза­ции под необходимым минимальным дав­лением, а решающее условие получения качественной поковки - это время должно быть больше (или равно) времени подхода пуансона от верхнего исходного положе­ния до закрытия штампа и времени, затра­чиваемого на развитие минимально необ­ходимого давления в полости штампа. Кристаллизация под таким давлением -определяющий фактор для формирования мелкозернистой, плотной структуры ме­талла и повышения его механических свойств. Величину давления рекомендуют применять в диапазоне 100 ... 500 МПа, а время выдержки под давлением зависит от сложности и размеров поковки и состав­ляет 2 ... Юс.

Область применения жидкой штам­повки определяют прежде всего преиму­щества этого процесса перед литейной технологией и традиционными процесса-

ми горячей объемной штамповки. По сравнению с отливками поковки, изготов­ленные методом жидкой штамповки, об­ладают более высокими механическими и эксплуатационными характеристиками; более высокой точностью размеров, меньшим расходом металла (нет прибы­лей, литниковых систем и т.д.). В отличие от поковок, полученных традиционными способами горячей объемной штамповки, жидкой штамповкой изготовляют поковки как с толстыми, так и с тонкими стенками; без перемычек в отверстиях; с меньшим числом переходов; с меньшими затратами на механическую обработку и другими материально-энергетическими затратами.

Вместе с тем процесс жидкой штам­повки требует больших затрат на инстру­мент, усугубляющихся его недостаточной стойкостью, особенно при штамповке ста­ли. Так, число поковок, отштампованных на одном штампе из стали, составляет не­сколько сотен, а поковок из цветных ме­таллов - несколько десятков тысяч.

Жидкой штамповкой производят для нужд машиностроения и приборостроения большое число разных по сложности по­ковок массой ориентировочно до 10 кг.

7. ХОЛОДНАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА

Обычно под холодной штамповкой по­нимают штамповку без предварительного нагрева заготовки. Для металлов и спла­вов, применяемых при штамповке, такой процесс деформирования соответствует условиям холодной деформации. Отсутст­вие окисленного слоя на заготовках (ока­лины) при холодной штамповке обеспечи­вает хорошее качество поверхности дета­ли и достаточно высокую точность разме­ров. Это уменьшает объем обработки ре­занием или даже исключает ее.

Основные разновидности холодной объемной штамповки - холодное выдав­ливание, холодная высадка и холодная штамповка в открытом штампе.

104

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

в) г)

Рис. 3.46. Схемы выдавливания

При холодном выдавливании заго­товку помещают в полость, из которой металл выдавливают в отверстия, имею­щиеся в рабочем инструменте. Выдавли­вание обычно выполняют на кривошип­ных или гидравлических прессах в штам­пах, рабочими частями которых являются пуансон и матрица. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание.

При прямом выдавливании (см. рис. 3.6, г) металл вытекает в отверстие, расположенное в донной части матрицы, в направлении, совпадающем с направлени­ем движения пуансона относительно мат­рицы. Так можно получать детали типа стержней с утолщениями (болты, тарель­чатые клапаны и т.п.). При этом зазор ме­жду пуансоном и цилиндрической частью матрицы, в которой размещается исходная заготовка, должен быть небольшой, чтобы металл не вытекал в зазор.

Если на торце пуансона (см. рис. 3.15, а) имеется стержень, перекрывающий отвер­стие матрицы до начала выдавливания, то металл выдавливается в кольцевую щель между стержнем и отверстием матрицы. В этом случае прямым выдавливанием можно получать детали типа трубки с фланцем, а если исходная заготовка имела форму толстостенной чашечки, то и дета­ли в виде стакана с фланцем.

При обратном выдавливании направ­ление течения металла противоположно направлению движения пуансона относи-

тельно матрицы. Наиболее часто встре­чающейся схемой обратного выдавлива­ния является схема, при которой металл может вытекать в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей (рис. 3.46, б). По такой схеме изготовляют полые детали типа туб (корпуса тюбиков), экранов ра­диоламп и т.п.

Реже применяют схему обратного вы­давливания, при которой металл выдавли­вается в отверстие в пуансоне, для полу­чения деталей типа стержня с фланцем (рис. 3.46, а).

При боковом выдавливании металл вы­текает в отверстие в боковой части матрицы в направлении, не совпадающем с направ­лением движения пуансона (рис. 3.46, в). Таким образом можно получить детали типа тройников, крестовин и т.п. В этом случае, чтобы обеспечить удаление заго­товок после штамповки, матрицу выпол­няют состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, совпадающей с плос­костью, в которой расположены осевые линии заготовки и получаемого отростка.

Комбинированное выдавливание ха­рактеризуется одновременным течением металла по нескольким направлениям и может быть осуществлено по нескольким из рассмотренных ранее схем холодного выдавливания. На рис. 3.46, г приведена схема комбинированного выдавливания для изготовления обратным выдавливани­ем полой, чашеобразной части детали, а прямым выдавливанием - стержня, отхо­дящего от ее донной части.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

105

Основной положительной особенно­стью выдавливания является возможность получения без разрушения заготовки весьма больших степеней деформации, которые можно характеризовать показате­лем к = Fo/F\ (F₀ и F_x - площади попереч­ного сечения исходной заготовки и выдав­ленной части детали). Для весьма мягких, пластичных металлов А: > 100 (алюминиевые тубы со стенкой толщиной 0,1 ... 0,2 мм при диаметре тубы 20 ... 40 мм). Возмож­ность получения столь больших степеней деформации обеспечивается тем, что пла­стическое деформирование при выдавли­вании происходит в условиях всесторон­него неравномерного сжатия.

Однако то же всестороннее сжатие приводит и к отрицательным явлениям. Чем больше степень деформации, тем больше сила деформирования, и удельные силы, действующие на пуансон и матрицу, могут достичь значений, больших в не­сколько раз предела текучести деформи­руемого металла и превышающих значе­ния, допустимые для инструмента по ус­ловиям его прочности или стойкости.

Высокие удельные силы выдавливания определяют достижимые степени дефор­мации и сдерживают широкое применение этого процесса в производстве. Удельные силы выдавливания изменяются в ходе деформирования и зависят от высоты под­вергающейся деформированию части за­готовки. При выдавливании пластическая деформация обычно охватывает не весь объем заготовки, а лишь часть его - очаг деформации (см. рис. 3.46). До тех пор пока высота очага деформации меньше, чем высота деформируемой заготовки, удельные силы по ходу пуансона изменя­ются незначительно. Однако, когда высота деформируемой части заготовки стано­вится меньше высоты естественного очага деформации, удельные силы начинают интенсивно возрастать. Это обстоятельст­во ограничивает допустимую (по услови­ям достаточной стойкости инструмента) толщину фланца или донышка штампуе­мой детали.

Для уменьшения удельной силы вы­давливания при проектировании штам­пуемой детали необходимо стремиться к такой ее конфигурации, при которой от­сутствовали бы застойные зоны под тор­цом пуансона (см. рис. 3.46, б) или у рабо­чей поверхности матрицы.

Основное технологическое мероприя­тие, направленное на снижение удельных сил выдавливания, - применение различ­ных смазывающих материалов или покры­тий заготовок для уменьшения сил трения. В обычных условиях выдавливания силы трения препятствуют пластическому исте­чению металла и существенно увеличива­ют силу деформирования.

Холодную высадку выполняют на специальных холодновысадочных автома­тах. Штампуют от прутка или проволоки. Пруток подается до упора, поперечным движением ножа отрезается заготовка требуемой длины и с помощью специаль­ного механизма последовательно перено­сится в позиции штамповки, на которых из заготовки получают деталь.

На холодновысадочных автоматах штам­пуют заготовки диаметром 0,5 ... 40 мм из черных и цветных металлов, а также дета­ли с местными утолщениями сплошные и с отверстиями (заклепки, болты, винты, гвозди, шарики, ролики, гайки, звездочки, накидные гайки и т.п.). На рис. 3.47 пока­заны последовательные переходы штам­повки двух характерных деталей. Назва­ние этих автоматов связано с тем, что ос­новной выполняемой на них операцией является высадка (уменьшение длины час­ти заготовки с получением местного уве­личения поперечных размеров). Однако при штамповке на холодновысадочных автоматах все шире используют другие операции штамповки сортового металла, в частности операцию холодного выдавли­вания, что расширяет номенклатуру изго­товляемых деталей.

Штамповкой на холодновысадочных автоматах обеспечиваются достаточно высокая точность размеров и хорошее ка­чество поверхности, вследствие чего неко-

106

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

_II

Рис. 3.47. Последовательность переходов изготовления деталей на холодновысадочных автоматах: а-винта, б-колпачка

торые детали не требуют последующей обработки резанием. Так, в частности, изготовляют метизные изделия (винты, болты, шпильки), причем и резьбу полу­чают на автоматах обработкой давлением -накаткой.

Штамповка на холодновысадочных ав­томатах высокопроизводительна: 20 ... 400 деталей в минуту (большая произво­дительность для деталей меньших разме­ров). Штамповка на холодновысадочных автоматах характеризуется высоким ко­эффициентом использования металла. Средний коэффициент использования ме­талла 95 % (только 5 % металла идет в отход).

Холодная штамповка в открытых штампах заключается в придании заго­товке формы детали путем заполнения полости штампа металлом заготовки. Схема холодной штамповки аналогична схеме горячей объемной штамповки, пока­занной на рис. 3.27, а.

Холодная объемная штамповка требует значительных удельных сил вследствие высокого сопротивления металла дефор­мированию в условиях холодной дефор­мации и упрочнения металла в процессе деформирования. Упрочнение сопровож­дается и уменьшением пластичности. Для уменьшения вредного влияния упрочне­ния и облегчения процесса деформирова­ния при холодной штамповке оформление детали обычно расчленяют на переходы,

между которыми заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг снижает удельные силы при штамповке на последующих переходах и повышает пла­стичность металла, что уменьшает опас­ность разрушения заготовки в процессе деформирования и увеличивает допусти­мую степень деформации.

Каждый последующий переход осуще­ствляют в специальном штампе, хотя ино­гда несколько переходов выполняют в одном штампе. В последнем случае между переходами обрезают облой для уменьше­ния силы деформирования и повышения точности размеров штампованных дета­лей. Холодную объемную штамповку обычно осуществляют в открытых штам­пах, так как при этом удельные силы меньше, чем при штамповке в закрытых штампах (возможность вытекания металла в облой облегчает деформирование). В закрытых штампах в условиях холодной деформации штампуют реже и главным образом из цветных металлов.

Холодной объемной штамповкой мож­но изготовлять пространственные детали сложных форм (сплошные и с отверстия­ми). Холодная объемная штамповка обес­печивает также получение деталей со сравнительно высокими точностью разме­ров и качеством поверхности. Это умень­шает объем обработки резанием или даже исключает ее. Так как штампуют обычно

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВ

107

за один ход ползуна пресса, то холодная штамповка (даже при использовании не­скольких переходов со своими штампами) характеризуется большей производитель­ностью по сравнению с обработкой реза­нием. Однако, учитывая, что изготовление штампов трудоемко и дороже изготовле­ния инструмента, используемого при об­работке резанием, холодную штамповку следует применять лишь при достаточно большой серийности производства.

Рекомендации по конструированию деталей применительно к изготовлению их холодной штамповкой сходны с реко­мендациями, приведенными для ранее рассмотренной горячей объемной штам­повки. Отметим, что допустимые углы наклона и радиусы скруглений обычно меньше, чем углы наклона и радиусы скруглений при горячей штамповке.

В будущем ожидается расширение об­ласти применения холодной объемной штамповки путем снижения удельных сил и применения более стойких инструмен­тальных сталей для пуансонов и матриц.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каким способом целесообразно изгото­вить поковку вала гидротурбины массой 3000 кг при величине партии 50 шт.?

2. Каковы будут основные технологические переходы процесса изготовления поковки крю­ка подъемного крана с габаритными размерами 200 х 150 х 50 мм при выпуске 5000 шт. в год?

3. Изобразите поковки одной и той же де­тали - кольца при трех вариантах их штампов­ки: в открытом штампе, в закрытом с одной плоскостью разъема, в закрытом штампе с двумя плоскостями разъема.

4. Из каких соображений выбирают плос­кость разъема штампов при проектировании поковки?

5. Для поковок всех деталей, изображенных на рис. 3.19, выберите рациональный способ штамповки и штамповочное оборудование в условиях крупносерийного производства.

6. Сравните распределение твердости в та­релке и стержне клапана, полученного холод­ным выдавливанием, и в головке и стержне болта, полученного холодной высадкой, если заготовкой в обоих случаях был горячекатаный стальной пруток.