Вербицкий Е.И. Добровольский И.Г. Курсовое проектирование по горячей штамповке

Подождите немного. Документ загружается.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решении основных задач десятой пятилетки даль-

нейшее совершенствование кузнечно-штамповочного про-

изводства призвано сыграть важную роль в снижении

расхода металла, трудоемкости и повышении качества

машиностроительной продукции.

В Директивах XXV съезда КПСС по пятилетнему

плану развития народного хозяйства СССР на 1976—

1980 гг. особо подчеркивается необходимость повыше-

ния эффективности производства в этих направлениях.

Кузнечно-штамповочное производство является од-

ним из основных способов изготовления заготовок и де-

талей, сочетающим в себе высокую производительность

и качество получаемых поковок. Кузнечные цехи являют-

ся основными заготовительными цехами на большинстве

машиностроительных заводов страны. Это объясняется

тем, что производство поковок характеризуется повы-

шенными механическими свойствами изготовленных де-

талей и точностью заготовок, позволяющими использо-

вать их в наиболее ответственных узлах машин (колен-

чатые и распределительные валы, шатуны, шестерни

и т. п.).

Дальнейшее совершенствование процессов горячей

объемной штамповки, повышение точности размеров и

улучшение качества поверхностей, получаемых при об-

работке давлением, приводят к тому, что во многих слу-

чаях этот способ обработки полностью вытесняет тради-

ционную обработку резанием. Поэтому курс «Горячей

штамповки» является одним из профилирующих при

подготовке специалистов по обработке металлов давле-

нием, завершается он курсовым проектом. Выполнение

курсового проекта позволяет систематизировать, закре-

пить и расширить теоретические знания, а также приоб-

рести опыт самостоятельного решения вопросов, связан-

ных с проектированием технологического процесса и

конструированием рабочего инструмента для горячей

объемной штамповки.

Учебное пособие соответствует программе курса для

высших учебных заведений по специальности «Машины

и технология обработки металлов давлением». Главы

1,5—10 написаны И. Г. Добровольским, 2—4—Е. И. Вер-

бицким.

Авторы приносят глубокую благодарность д-ру техн.

наук, проф. А. И. Колпашникову и д-ру техн. наук,

проф. А. 3. Жилкину за ценные предложения по улуч-

шению содержания книги.

Все замечания и пожелания просим направлять по

адресу: 220027, г. Минск, Ленинский пр., 65, Белорус-

ский ордена Трудового Красного Знамени политехниче-

ский институт, кафедра «Машины и технология обра-

ботки металлов давлением»:

Авторы

Глава I. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА

Формообразование заготовок объемной штамповкой

основывается на пластической деформации, т. е. на пла-

стичности обрабатываемых металлов, позволяющей осу-

ществлять существенные формоизменения заготовок без

их разрушения.

Наряду с высокой пластичностью при обработке дав-

лением стремятся получить возможно меньшее сопро-

тивление деформированию. Повышение температуры

значительно уменьшает эту характеристику деформи-

руемого металла, поэтому его перед кузнечной обработ-

кой нагревают.

При горячей объемной штамповке формообразова-

ние заготовки происходит в полости ручья штампа на

различных видах оборудования (паровоздушных штам-

повочных молотах, кривошипных горячештамповочных,

фрикционных и гидравлических прессах, горизонтально-

ковочных машинах, специальном оборудовании и т. п.).

Штамповка осуществляется в одноручьевых и много-

ручьевых штампах. Поковки простой конфигурации (без

высоких выступов, острых ребер и т. д.) штампуются

обычно в одном окончательном ручье. Для поковок бо-

лее сложной формы при одноручьевой штамповке произ-

водится предварительное фасонирование заготовки на

ковочных вальцах, станах поперечно-клиновой прокатки

и другом оборудовании. Одноручьевая штамповка не

требует сложных штампов и позволяет более эффектив-

но использовать мощность штамповочного агрегата.

Наиболее распространенным способом горячей объем-

ной штамповки является многоручьевая. В мо-

лотовых штампах применяются заготовительные ручьи,

подготавливающие заготовку, а также предварительные

и окончательные штамповочные ручьи. В несколько пе-

реходов осуществляется также штамповка на криво-

шипных горячих штамповочных прессах (КГШП) и го-

ризонтально-ковочных машинах (ГКМ).

На практике достаточно распространена расчленен-

ная штамповка, применяющаяся для больших поковок

сложной конфигурации. В этом случае поковку после-

довательно штампуют в нескольких штампах, устанав-

ливаемых на отдельных машинах.

При комбинированной штамповке поковку после об-

резки облоя подвергают деформированию для придания

окончательной формы на какой-либо другой машине.

При этом все оборудование устанавливается в одну по-

точную линию и процесс осуществляется с одного на-

грева.

Классификация видов штамповки этим не ограничи-

вается. Ниже в соответствующих главах будут рассмот-

рены особенности штамповки на различных видах обо-

рудования, в открытых и закрытых штампах, при раз-

личных типах и способах установки заготовки в штампе

и т. п.

Помимо собственно штамповочных операций важную

роль в процессе изготовления поковок играют завер-

шающие операции обрезки облоя и пробивки перемы-

чек, а также отделочные — правка и калибровка штам-

пованных поковок.

При всем многообразии применяемых методов про-

цесс горячей объемной штамповки имеет следующую

последовательность операций: 1) разделка исходного

металла на заготовки; 2) нагрев заготовок; 3) формооб-

разование поковки; 4) обрезка облоя и пробивка пере-

мычек; 5) термическая обработка поковок; 6) очистка и

отделка поковок.

1.1. Исходные материалы

и разделка их перед штамповкой

Общие сведения. Горячей объемной штамповке под-

вергаются деформируемые металлы и сплавы: сталь

различных марок [12] и многие цветные сплавы на осно-

ве алюминия, магния, меди, титана. Современное маши-

ностроение нуждается также в поковках из чистых ме-

таллов (молибдена, вольфрама, ниобия и т. п.) [13, 23].

Чистые металлы обладают наибольшей пластич-

ностью. В соответствии с этим увеличение содержания

примесей и легирующих элементов приводит к уменьше-

нию пластических свойств сплавов. В связи с этим штам-

повка высокоуглеродистых и высоколегированных ста-

лей требует специальных режимов.

Разделка исходных материалов на заготовки. Раз-

делка металла на мерные заготовки, предназначенные

для объемной штамповки, может производиться на сор-

товых ножницах, кривошипных прессах, ломкой на

хладноломах, резкой на металлорежущих, анодно-меха-

нических и абразивных станках, газовой резкой.

При разделке исходного прутка (болванки) необхо-

димо обеспечить большую точность длины и ровные тор-

цы заготовки. Соблюдение этих условий облегчает уста-

новку заготовки в штамп, повышает качество поковки,

сокращает расход металла, способствует высокой эко-

номичности производства.

Резка на ножницах и прессах является основным и

наиболее производительным способом получения заго-

товок в цехах горячей объемной штамповки. Резка на

пилах применяется для разделки прутков цветных ме-

таллов и их сплавов, а также периодического проката и

заготовок из труб. При этом обеспечивается хорошее ка-

чество реза и высокая точность.

Резка на ножницах высокоуглеродистых и легиро-

ванных сталей (особенно неотожженных) зачастую вы-

зывает образование торцовых трещин. Эта опасность

увеличивается с ростом сечения разрезаемого проката.

В целях исключения подобного брака металл перед рез-

кой нагревают до температуры 450—650 °С в специаль-

ных печах, обслуживающих ножницы. Подогрев стали

способствует также снижению усилия резки и повыше-

нию стойкости ножей. Кроме того, прокат освобождает-

ся также от масляных пятен, а в зимнее время от обле-

денения, затрудняющих резку.

Подогреву перед резкой подвергаются высокоуглеро-

дистые и легированные стали, начиная с диаметра 50—

60 мм и выше, а при резке высоколегированных сталей

подогрев применяется и для более мелких сечений. Для

резки на ножницах титановых сплавов исходный мате-

риал нагревают до 650—850 °С. Прутки из меди и дру-

гих пластичных металлов режут в холодном состоянии.

Для уменьшения косины среза в практике цехов го-

рячей объемной штамповки все шире используется точ-

ная резка прутка сдвигом с дифференцированным зажи-

мом последнего. При этом методе используются два

комплекта ножей с рабочими частями, соответствующи-

ми профилю разрезаемого прутка, круга или квадрата

диаметром (стороной квадрата) от 10 до 250 мм.

Точная резка осуществляется на специальных нож-

ницах или в штампах, устанавливаемых на универсаль-

ных прессах. При этом обеспечивается экономия метал-

ла и возможность применения устройств для весового

дозирования заготовок при безоблойной штамповке, тре-

бующей определенного объема (массы) заготовок.

Горячекатаная сталь поставляется с большими от-

клонениями фактической массы (сечения) прутка от но-

минальной. Эта неточность размеров приводит к сущест-

венному перерасходу металла, поскольку его объем,

превышающий минимально необходимый (образуемый

за счет допусков на размеры), следует рассматривать

как потерю, вызываемую несовершенством технологии

его разделки.

1.2. Нагрев металла и основные типы

нагревательных устройств

Современная технология горячей объемной штампов-

ки требует безокислительного нагрева заготовок, дове-

дения до минимума обезуглероженного слоя, обеспече-

ния высокой культуры нагрева. Совершенствование

нагревательных печей и установок ведется по пути меха-

низации загрузочно-разгрузочных работ, получения за-

готовок с малым окислением и повышения КПД нагре-

вательных устройств.

Методы нагрева заготовок характеризуются видом

энергоносителя и способом его использования, условия-

ми теплопередачи и способами защиты поверхности за-

готовок от окисления и обезуглероживания.

Нагрев металла теплом, выделяемым при сгорании

жидкого и газообразного топлива, осуществляется в

пламенных печах; нагрев заготовок с помощью электро-

энергии производится в печах сопротивления, в индук-

ционных, контактных и электролитных установках. До

сих пор основным способом нагрева в кузнечных цехах

остается пламенный, позволяющий нагревать заготовки

различной массы, размеров и формы.

По характеру работы различают печи периодическо-

го и непрерывного (методического) действия. Примене-

ние последних предпочтительнее, поскольку они обес-

печивают непрерывность и определенный ритм произ-

водства, а следовательно, более высокие показатели

удельной производительности и степени теплоиспользо-

вания. Однако при мелкосерийном производстве воз-

можность использования печей непрерывного действия

ограничена и приходится применять камерные печи с

периодической загрузкой. Наиболее широко распростра-

нены камерные печи периодического действия с заслон-

кой или щелевые, отличающиеся простотой конструкции

и нагревающие заготовки обширной номенклатуры по

размеру и массе. КПД этих печей колеблется в преде-

лах 8—15%.

Из печей непрерывного действия наибольшее распро-

странение на отечественных заводах получили полуме-

тодические печи. Эти печи просты по конструкции и осу-

ществляют качественный нагрев однородных заготовок

с высокой удельной производительностью. Особен-

ностью методических печей, или печей непрерывного

действия, является постепенное возрастание температу-

ры от загрузочных окон до камеры высокой температу-

ры, что создает равномерный нагрев заготовок, движу-

щихся навстречу потоку горячих газов.

Полуметодические нагревательные печи в отличие от

методических имеют меньшую длину рабочего пода (от-

ношение полезной ширины последнего к длине прини-

мается у них до 1 : 5). У методических печей это соотно-

шение выше. Для подогрева воздуха указанные печи

снабжаются трубчатыми рекуператорами. Полуметоди-

ческие и методические печи широко применяются в

крупносерийном и массовом производстве. Тип, конст-

рукция и размеры печи выбираются в зависимости от

формы и размеров заготовок и требуемой производи-

тельности [12]. Нагревательные устройства, как прави-

ло, устанавливаются у каждого штамповочного агрега-

та. Их размеры и производительность определяются в

зависимости от производительности кузнечно-штампо-

вочного оборудования и от технологических требований

к нагреву металла.

Для нагрева заготовок под штамповку на молотах

используют пламенные печи, работающие на природном

газе. На наших заводах при крупносерийном производ-

стве поковок применяются толкательные полуметодиче-

ские печи, КПД которых составляет 18—25%. Более эф-

фективны печи с вращающимся подом, обеспечивающие

нагрев заготовок с меньшим окислением поверхности

(КПД 40%). Эти печи хорошо компонуются со штампо-

вочным оборудованием, механизируются и автоматизи-

руются.

В последнее время разработаны конструкции пол-

ностью механизированных щелевых печей с горизон-

тальным или вертикальным конвейером, составляющим

единое целое с печью. Применение подобных печей по-

зволяет осуществить комплексную механизацию участка

горизонтально-ковочных машин, включая возврат заго-

товок к печи.

Прогрессивные технологические процессы в цехах го-

рячей объемной штамповки должны обеспечивать высо-

кую точность поковок при наименьших затратах, улуч-

шать и облегчать условия труда.

Одним из недостатков пламенного нагрева является

большое окалинообразование, составляющее довольно

значительную часть безвозвратных потерь металла.

Кроме того, окалина при штамповке вдавливается в по-

верхность поковок, приводя к увеличению припусков на

механическую обработку и ускоряя в 1,5—2 раза износ

штампов. Также отрицательно сказывается окалина и

на стойкости пода печи.

Потери в угар составляют при нагреве заготовок в

пламенных печах до 2,5%. Задача уменьшения их до

0,1—0,5% требует введения безокислительного, скорост-

ного и других видов нагрева при условии полной меха-

низации и автоматизации печей [12, 16].

При пламенном нагреве стальных кузнечных загото-

вок наблюдается их обезуглероживание на глубину до

1,5—2 мм. Обезуглероживание зависит от тех же факто-

ров, что и угар, поэтому мероприятия, снижающие его,

одновременно уменьшают и обезуглероживание.

Увеличение скорости нагрева в существующих мето-

дических печах за счет создания повышенного темпера-

турного напора, т. е. разности температур между грею-

щими газами и нагреваемым металлом, способствует