Шарифьянов Ф.Ш., Маркелов А.А. Проектированние штампованных поковок, получаемых на молотах и КГШП

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

Кузнечно-штамповочное производство предназначено для

изготовления изделий, являющихся машиностроительными

заготовками. Кузнечно-штамповочное производство уступает

литейному производству в сложности конфигурации получаемых

заготовок. Однако кованые и штампованные поковки отличаются

высокими механическими свойствами, что обеспечивает надежность

и долговечность изготавливаемых из них деталей. Поэтому наиболее

ответственные, сильно нагруженные детали изготавливают из

заготовок, полученных ковкой или штамповкой.

Среди множества способов получения заготовок обработкой

давлением наибольшее распространение получили свободная ковка и

горячая объёмная штамповка (ГОШ). Заготовки, полученные

свободной ковкой, называют коваными поковками, а изготовленные

объёмной штамповкой – штампованными поковками или

штамповками. В дальнейшем изделия, полученные ГОШ, будем

называть поковками (согласно ГОСТ 7505 - 89).

Ковку обычно применяют в единичном и мелкосерийном

производствах. Объёмная штамповка наиболее эффективна при

серийном и массовом производстве поковок массой от нескольких

граммов до 3 тонн, но чаще оказывается целесообразным

изготовление поковок и штамповок массой 50…200 кг [1, 2]. ГОШ

обеспечивает высокую точность заготовок и малый отход металла

при окончательной механической обработке.

В зависимости от используемого оборудования различают

объёмную штамповку на штамповочных паровоздушных молотах

(ПМ), кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП),

горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), гидравлических прессах

(ГП) и т. д.

Выбор способа получения поковки зависит от пластичности

материала и его сопротивления деформированию, конфигурации

детали, степени ее сложности, массы, объема выпуска и условий

работы детали. При низкой пластичности материала затруднительно

получить качественную поковку, усложняется технологический

процесс, повышается себестоимость детали. Способ штамповки

ориентировочно можно выбрать по сравнительным характеристикам

различных способов штамповки, приведеным в приложении 1.

Окончательно способ изготовления заготовки можно установить

лишь проведя сравнительный анализ экономического расчета

нескольких вариантов получения поковок.

В работе рассмотрена последовательность и основные

положения разработки чертежа штампованных поковок, получаемых

на молотах и КГШП штамповкой в торец (вдоль оси) заготовки.

Приведен также порядок расчета размеров поковки и исходной

заготовки.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШТАМПОВАННЫХ

ПОКОВОК, ПОЛУЧАЕМЫХ НА МОЛОТАХ И КГШП

1. Цель работы

1.1. Научиться проектировать штампованные поковки,

получаемые на молотах и КГШП.

1.2. Усвоить методику расчета размеров поковки и исходной

заготовки.

1.3. Изучить ГОСТы, регламентирующие припуски, допуски,

напуски при штамповке и устанавливающие правила выполнения

чертежей поковок, содержание основных технических требований.

2. Основные сведения о горячей объемной штамповке

Для получения штампованных поковок широко используется

открытая штамповка (рис.1). Штамповка в открытых штампах

характеризуется тем, что штамп по периметру чистового

штамповочного ручья имеет облойную канавку.

Рис. 1. Схема получения поковки: а – открытая штамповка; б – схема обрезки облоя;

в – поковка; 1 – подвижная часть штампа; 2 – неподвижная часть штампа; 3 – верхний нож;

4 – нижний нож.

В процессе штамповки в облойную канавку выдавливаются

излишки металла, образуя облой, который закрывает выход из

полости штампа и способствует ее полному заполнению. Такая

конструкция штампа позволяет не предъявлять особо высоких

требований к точности исходных заготовок по массе.

При выборе открытой штамповки следует учесть, что наличие

облоя увеличивает расход металла, кроме того, для его удаления

требуется применение специальных обрезных прессов и штампов

(рис. 1, б). Этот вид штамповки можно применять для получения

поковок любой конфигурации.

2.1. Материалы, применяемые при изготовлении поковок

Материал, из которого будет изготовлена деталь,

устанавливается конструктором еще на стадии проектирования

изделия или детали. При выборе материала конструктор учитывает

возможный метод получения заготовки (штамповка или литье) под

проектируемую деталь. Если предполагается изготовление заготовки

обработкой давлением (ковкой, штамповкой, поперечно-клиновой

прокаткой и т. д.), то выбирается деформируемый сплав, а если литая

заготовка (отливка) – литейный сплав. Заготовки, получаемые

порошковой металлургией, требуют исходных порошковых

материалов. При выборе конкретного материала детали конструктор

учитывает его технологические свойства, условия эксплуатации

(среда агрессивная или нейтральная; нагрузки статические,

динамические или циклические; деталь работает в условиях трения

или покоя и т. д.), сложность конфигурации, габаритные размеры.

Следует также учесть стоимость материала. Если выбрана сталь, то

следует подобрать марку по возможности с меньшим содержанием

углерода и легирующих элементов, которая окажется дешевле и с

повышенной ковкостью.

В зависимости от назначения, ответственности, габаритных

размеров и условий работы для поковок могут быть использованы:

─ сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества

(ГОСТ 380— 94);

─ сталь углеродистая конструкционная качественная (ГОСТ

1050—88);

─ сталь легированная конструкционная (ГОСТ 4543—71);

─высоколегированные, коррозионно-стойкие, жаростойкие и

жаропрочные стали и сплавы (ГОСТ 5632—72);

─цветные деформируемые сплавы (алюминиевые, магниевые,

титановые, медные и др.).

В приложении 2 приведены наиболее распространенные марки

сталей для изготовления поковок, область их применения и условия

деформирования.

При выборе марки стали для деталей, подвергаемых

упрочняющей термической обработке, кроме общепринятых

критериев и регламентируемых стандартами механических свойств

сталей, следует учитывать и размеры их сечения. При этом

решающее влияние на свойства может оказать прокаливаемость

стали. Так, чем больше диаметр или толщина детали, тем больше

сталь должна иметь легирующих элементов, увеличивающих глубину

закаленного слоя (прокаливаемости) детали и повышающих

механические свойства.

2.1.1. Категории прочности поковок. По механическим

свойствам поковки, поставляемые после окончательной термической

обработки, разделяются на категории прочности. Категории

прочности и соответствующие им нормы механических свойств,

определяемые при испытании на продольных образцах, а также

нормы твердости приведены в приложении 3.

В соответствии с ГОСТ 8479—70 поковка может быть

изготовлена одной из шестнадцати категорий прочности. Каждой

категории прочности соответствуют минимальные нормы

механических свойств, и в зависимости от размера поперечного

сечения необходимо выбрать ту или иную марку стали.

2.1.2. Группы стальных поковок по видам испытаний.

Согласно ГОСТ 8479—70, по видам испытаний, установленных

потребителем, а также в зависимости от назначения деталей, для

которых используются поковки, их подразделяют на пять групп:

I — поковки, не подвергаемые испытаниям с целью

определения механических свойств;

II— поковки с обязательным определением твердости для

партии поковок, прошедших совместную термическую обработку;

III— поковки с определением твёрдости каждой поковки;

IV—поковки, для которых требуется проведение испытаний на

растяжение, определение ударной вязкости и твердости для партии

поковок, прошедших совместную термическую обработку.

Основанием для сдачи поковки являются соответствия свойств σ

0,2

, δ, ψ, KCU, HB заданным в технических требованиях чертежа

величинам;

V—поковки, для каждой из которых определяют комплекс

механических свойств: σ

, σ

0,2

, δ, ψ, KCU, HB.

Для испытания поковки комплектуются предприятием-

изготовителем в партии. В партию входят поковки, изготовленные по

одному чертежу. В отдельных случаях, допускается объединять в

партию поковки, изготовленные из одной марки стали, по разным

чертежам, но близкие по конфигурации. Для каждой группы (за

исключением группы I) устанавливается определенный объем

обязательных испытаний (приложение 4).

При разработке технологического процесса необходимо на

чертеже поковок IV и V групп предусмотреть дополнительные

объемы металла — пробы для механических испытаний.

2.1.3. Обозначение на чертеже категории прочности и

группы поковок. Нормы твердости для поковок II и III групп и

категории прочности для поковок IV и V групп устанавливаются по

соглашению изготовителя с потребителем.

Конструктор на чертеже поковки указывает не только марку

стали, но и категорию прочности сплава, и группу поковок по видам

испытаний.

Согласно ГОСТ 8479-70 группа, к которой относится поковка,

обозначается в технических требованиях следующим образом:

– поковка группы I – Гр. I ГОСТ 8479-70. Эта группа поковок

поставляется потребителю без механических испытаний;

– поковки группы II и III с твердостью НВ 143…179 – Гр. II

(III) НВ 143…179 ГОСТ 8479-70;

– поковки группы IV (V) с категорией прочности КП490 – Гр.

IV (V) КП490 ГОСТ 8479-70.

Материал поковки, а также ее группа также может указываться в

угловом штампе.

Пример обозначения в угловом штампе чертежа поковки марки

материала для поковки группы IV из стали 34ХН1М, имеющей

механические свойства в соответствии с категорией прочности

КП640: σ

= 785 МПа; σ

0,2

= 640 МПа; δ

= 13 %; КСU = 590 кДж/м

;

НВ = 248... 297:

70-8479ГОСТ640КП-IVГр.

71-4543ГОСТХН1М34

То же для групп I и II:

70-8479ГОСТ248...293НВ-IIГр.

71-4543ГОСТХН1М34

;

70-8479ГОСТIГр.

71-4543ГОСТХН1М34

2.2. Исходные заготовки, обрабатываемые ковкой и

штамповкой

Исходными стальными заготовками для ковки и объёмной

штамповки могут быть слитки (рис. 2) и сортовой прокат.

Слиток является заготовкой для крупных поковок, может использоваться

для одной или нескольких поковок. Слитки получают разливкой стали в

изложницы из конверторов или мартеновских и электрических печей. Форма

слитков может быть различной и зависит от металлургического предприятия,

выпускающего слитки. Чаще встречается форма слитка в виде многогранной

усеченной пирамиды. Поперечное сечение средней части слитков может быть

4-, 6-, 8- и 12-угольным. Основные размеры и масса стальных слитков

приведены в приложении 5, а также в [3, с. 65…72; 4, с. 57…60].

Рис. 2. Стальной слиток Новокрамоторского металлургического завода

Верхняя (прибыльная) часть слитка (l

) содержит усадочную раковину и

не может быть использована в поковке. Нижняя (донная) часть [L – ( l

+ l

)]

также является отходом слитка. Отход слитка составляет по прибыльной части

18... 30 %, а по донной – 3...8 % от общей массы слитка. Меньшие значения

отхода соответствуют слиткам из углеродистой стали, а большие — из

легированной. Донная и прибыльная части отделяются от слитка кузнечной

рубкой в начале ковки (после биллетировки) или от концов поковки на

заключительной стадии и отправляются на переплав.

Сортовой прокат используют для большинства штампованных

и мелких кованых поковок. Длина прутков составляет 2…6 м.

Поперечное сечение горячекатаного проката может быть квадратное

(ГОСТ 2591—88) или круглое (ГОСТ 2590—88). Размеры

поперечного сечения (диаметр, сторона квадрата) устанавливаются

этими стандартами и по сортаменту составляют: 5; 6; 8; 10; 12; 15;

18; 20; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50;

56; 60; 65 70; 75; 80; 85 90; 95; 100; 105 110; 120; 125; 130; 140;

150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 220; 240; 250 мм.

Пример обозначения проката квадратного сечения из Стали 45 при

стороне квадрата 60 мм и круга диаметром 60 мм из Ст 3:

943803

88259060

;

88105045

88259160



ГОСТСт

ГОСТкруг

ГОСТ

ГОСТквадрат

Исходные материалы подлежат разделке на штучные заготовки.

Слитки разделывают непосредственно в процессе ковки, а сортовой

прокат – на заготовительных участках. Разрезку проката производят

пилами, газовой резкой, но чаще всего на кривошипных пресс-

ножницах и хладноломах. Рабочим инструментом ножниц (рис. 3)

являются нижний 1 и верхний 2 ножи. Рольганг 6 подает пруток 5 в

окно между кромками ножей 1 и 2 до регулируемого упора 3.

Прижим 4 предохраняет искривление прутка и улучшает качество

среза. Отделение заготовки происходит при ходе верхнего

подвижного ножа 2 вниз.

Рис. 3. Схема резки прутков на пресс-ножницах: 1 – нож нижний; 2 – нож верхний; 3

– упор регулируемый; 4 – прижим; 5 – пруток; 6 – рольганг

Точность резки на пресс-ножницах удовлетворяет основным

видам штамповки и ковки. Существующие пресс-ножницы

позволяют разделять прутки с поперечным размером до 250 мм.

Причем прутки крупных сечений (более 80 мм), а также из хрупких и

легированных сталей разделяют после подогрева до температуры

450 ... 550 °С.

2.3. Тип производства. Тип производства задается в

техническом задании на проектирование технологического процесса

изготовления поковки. Ориентировочно тип производства в

зависимости от объема годового выпуска поковок и от массы

определяется по данным приложения 6.

3. Этапы проектирования штампованных поковок,

получаемых ГОШ вдоль оси заготовок на молотах и КГШП

Качество поковок, их стоимость, время изготовления,

возможности механизации и автоматизации процессов и т. п. зависят

не только от технологического процесса их изготовления, но и от

того, как спроектирована конкретная деталь, каковы ее форма и

размеры, а также – насколько учтены конструктором возможности

технологии производства поковок.

Проектировать поковки необходимо по возможности наиболее

приближенными к конфигурации окончательно обработанной детали,

что позволит сократить стоимость их изготовления за счет малых

припусков, повысить точность поковок по размерам и форме.

Чертеж поковки разрабатывается на основе чертежа детали в

следующей последовательности:

- проводится анализ детали на технологичность (см. п. 4.1);

- устанавливается положение поверхности разъёма штампа;

- определяется ориентировочная (расчетная) масса поковки;

- назначаются по ГОСТ 7505-89 припуски на обрабатываемые

резанием поверхности детали и допуски на размеры, относящиеся к

этим поверхностям;

- назначаются напуски на отверстия и проточки;

- выбираются радиусы закругления; назначаются штамповочные

уклоны;

- определяются форма и размеры наметок отверстий и перемычки

под их прошивку;

- оформляется чертёж поковки в соответствии с ГОСТ 3.1126-88

с указанием технических требований на изготовление и приемку

поковки по ГОСТ 8479-70.

Рассмотрим основные этапы конструирования поковки.

3.1. Выбор поверхности (плоскости) разъёма штампа

Поверхность разъёма – это поверхность, по которой

соприкасаются верхняя и нижняя части штампа. В открытом штампе

на этой поверхности располагают облойную канавку (см. рис.1).

При выборе плоскости разъёма штампа следует

руководствоваться следующими основными правилами [5, с. 37…39;

6, с. 122; 7, с. 19]:

1) плоскость разъёма должна располагаться в плоскости

наибольшего сечения (периметра), что позволяет свободно извлекать

поковку из штампа. При этом, полости штампа будут иметь

наименьшую возможную глубину и наибольшую ширину и длину,

что обеспечивает повышенную стойкость штампа и легкость его

изготовления;

2) плоскость разъёма должна учитывать возможность контроля

сдвига между верхней и нижней половинами штампа, который

устанавливается по внешнему виду поковки после обрезки облоя.

Контроль смещения частей штампа упрощается, если поверхность

разъёма пересекается вертикальными образующими поковки;

3) поверхность разъёма должна быть плоской во избежание

сдвига штампа, а также коробления поковки при обрезке облоя;

4) плоскость разъёма не должна перерезать волокнистую

структуру поковки, что приведет к снижению прочностных свойств

детали;

5) при штамповке на молотах высокие и тонкие выступы

располагают в верхней половине штампа. В этом случае они

охлаждаются медленнее за счет меньшего времени контакта

заготовки со штампом;

6) плоскость разъема должна ориентировать ручьи штампа

таким образом, чтобы их заполнение осуществлялась по возможности

за счет осадки, а не выдавливания.

3.2. Припуски на механическую обработку

Припуск – это поверхностный слой материала заготовки,

подлежащий удалению при последующей механической обработке.

Припуск на механическую обработку включает основной, а также

дополнительный припуски, учитывающие отклонения формы и

размеров поковки. Величина припусков назначается на одну сторону

номинального размера поковки. По ГОСТ 7505-89 припуски

устанавливаются на стальные поковки массой до 250 кг и с