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

Подождите немного. Документ загружается.

некоторому уменьшению окалинообразования (до 0,5%)

и обезуглероживания. Необходимо отметить, что само

по себе применение скоростного нагрева не всегда дает

ожидаемый конечный результат. При неритмичной ра-

боте пресса или случайных задержках обезуглерожен-

ный слой на нагретых заготовках, находящихся в печи,

увеличивается.

Для получения точных поковок с высокой чистотой

поверхности требуется безокислительный или малоокис-

лительный нагрев заготовок.

Для уменьшения обезуглероживания можно приме-

нять только безокислительный нагрев, при котором печ-

ная атмосфера имеет углеродный потенциал, соответст-

вующий содержанию углерода в стали. Малоокисли-

тельный нагрев, хотя и предохраняет от окисления, но

не может предотвратить обезуглероживание.

Из различных способов уменьшения окалины при

нагреве для точной объемной штамповки промышленное

значение имеют: скоростной нагрев; применение различ-

ных обмазок и эмалей; нагрев в кипящем слое, в жидких

солях, в стекле, в вакууме, в парах солей лития, в элек-

трических и муфельных печах с контролируемой атмос-

ферой; безокислительный и малоокислительный нагрев

заголовок в печах открытого пламени. Последний способ

имеет наибольшее значение, так как позволяет нагре-

вать заготовки любых размеров и конфигураций.

Распространенный повсеместно пламенный нагрев

теперь уже не удовлетворяет растущим требованиям

кузнечно-штамповочного производства как по произво-

дительности, скорости, качеству нагрева, так и по усло-

виям т"руда нагревальщиков.

Индукционный нагрев имеет, безусловно, ряд техно-

логических преимуществ перед обычным пламенным

(нагрев заготовок с минимальной окалиной, обеспечение

постоянства температуры и любого темпа нагрева, быст-

рый пуск и останов нагревателя, возможность механиза-

ции и автоматизации процессов нагрева, культура на-

грева и т. п.). Развитие техники индукционного нагрева

достигло уровня, обеспечивающего его широкое приме-

нение в кузнечно-штамповочном производстве.

Основными типами индукционных нагревателей,

используемых в современных цехах горячей штамповки,

являются толкательные и с шагающей балкой. Нагрева-

т ел и с шагающей балкой позволяют в случае остановки

штамповочного агрегата осуществить выдачу всех нахо-

дящихся в индукторе заготовок. Кроме того, исключает-

ся возможность слипания заготовок, что имеет место в

других конструкциях нагревателей, и более строго вы-

держивается синхронность работы нагревателя со штам-

повочным прессом.

Для нагрева концов заготовки используются нагре-

ватели щелевого типа, снабженные бункером, загрузоч-

ной кареткой и механизмом для автоматической загруз-

ки и выдачи нагретых заготовок.

Для ускорения процесса нагрева и снижения его се-

бестоимости целесообразна установка двухчастотных

нагревателей, позволяющих сэкономить до 15—20%

электроэнергии.

Потери металла в окалину при использовании обыч-

ного индукционного нагрева достигают 0,3, а ускорен-

ного—

0,15 %.

Однако с учетом дополнительных потерь

металла в окалину при передаче нагретой заготовки к

штамповочному оборудованию и в процессе штамповки

общая величина потерь все же оказывается достаточно

высокой

0,5— 1,0

1.3. Режим нагрева и охлаждения

Основными параметрами, характеризующими режим

нагрева металла перед штамповкой, являются темпера-

тура печи при посадке заготовок, скорость нагрева ме-

талла, конечная температура нагрева, время выдержки

при заданной температуре, общая продолжительность

нагрева, температурный интервал штамповки.

Температура печи устанавливается в зависимости от

марки, формы и размера профиля нагреваемого метал-

ла. Подавляющее большинство заготовок сечением до

100 мм из конструкционных сталей сажают в печь при

температуре 1200—1300 °С.

Нагрев желательно осуществлять с высокой ско-

ростью, т. е. за возможно короткое время. При этом

меньше растет зерно, снижается отход металла в окали-

ну (угар), уменьшается глубина обезуглероженного

слоя для стальных заготовок. Скорость нагрева зависит

от температуры рабочего пространства печи (при скоро-

стном нагреве температура печи 1400—1500 °С) и тепло-

проводности металла. Чем выше теплопроводность, тем

быстрее теплота от прогретой поверхности передается

внутрь заготовок.

Для того чтобы обеспечить высокую температуру

начала штамповки, максимальную производительность

штамповочного агрегата и минимальные потери метал-

ла в угар, нагрев металла производится с максимально

допустимым температурным напором. Чем больше тем-

пературный напор, тем быстрее, при прочих равных

условиях, нагревается заготовка, однако, тем более зна-

чительный температурный градиент будет наблюдаться

по ее сечению. Поэтому быстрый нагрев металла, вызы-

вающий значительный перепад температур между

поверхностными и серединным слоями заготовки, может

привести к возникновению термических напряжений, а в

некоторых случаях к появлению микро- и макротрещин.

Поэтому следует различать технически возможную и до-

пустимую скорости нагрева.

В зависимости от допустимой скорости Нагрева опре-

деляется и его продолжительность. Обычно для загото-

вок с большими размерами сечений, а также заготовок

из низкопластичной высоколегированной стали при лю-

бых размерах сечений применяют ступенчатый нагрев:

на первом этапе нагрев ведут до температуры фазовых

превращений с допустимой скоростью; на втором — осу-

ществляют выдержку при температуре фазовых превра-

щений; на третьем — заготовки нагревают до оконча-

тельной температуры с максимальной технически

возможной скоростью; на четвертом — металл выдержи-

вают при температуре для выравнивания ее по всему

сечению.

При высоких температурах металл обладает доста-

точно большой пластичностью и не может разрушиться

от термических напряжений. Поэтому понятие о допу-

стимой скорости нагрева относится только к первому

этапу нагрева. Протяженность его вместе со вторым

этапом составляет 70—80% общего времени нагрева.

Что же касается стальных заготовок малого сечения

(до 80—100 мм), то скорость их нагрева, как правило,

не ограничивается. Поэтому такие заготовки следует

нагревать с полным использованием термической мощ-

ности печи.

Для определения фактического времени нагрева кон-

кретных заготовок лучше пользоваться нормативными

данными или справочной литературой [12, 13]. При

этом следует учитывать характер взаимного расположе-

ния заготовок на поду печи. Увеличение времени нагре-

ва группы заготовок обычно учитывается специальным

коэффициентом, колеблющимся от 1 до 3 в зависимости

от формы сечения и расстояния между соседними заго-

товками.

Так как защитить металл полностью от окисления в

обычных условиях пока не удается, в промышленности

применяют разнообразные способы удаления окалины с

заготовок перед штамповкой.

При штамповке на молотах окалина сравнительно

легко сбивается с заготовки и затем сдувается или сме-

тается с нижнего штампа. При штамповке на гидрав-

лических прессах для ее удаления используют метал-

лические щетки и скребки. Перед штамповкой на

горизонтально-ковочных машинах применяют фигурные

скребки, закрепляемые сбоку на каркасе печи. Перед

штамповкой на быстроходных прессах, когда удаление

окалины из штампов затруднено, вместо указанных вы-

ше способов производится гидроочистка.

Для низкопластичных сплавов, у которых не исклю-

чается возможность образования трещин при свободном

охлаждении на воздухе, используют замедленное охлаж-

дение одним из перечисленных ниже способов: на возду-

хе в штабелях; в ящиках (ямах) с закрытыми крышка-

ми; в футерованных колодцах с засыпкой песком, золой,

шлаком и т. п.; в отапливаемых колодцах или вместе с

печью.

Способ охлаждения зависит также от размеров сече-

ния поковок, при этом допускается свободное охлажде-

ние на воздухе углеродистых сталей любых сечений с

содержанием до 0,35% С. С повышением содержания

углерода до 0,4—0,5% предельное сечение, охлаждаемое

на воздухе, ограничивается толщиной 300 мм, до 0,55—

0,7 — толщиной 200 мм и свыше 0,7% С — толщиной

100 мм. Еще более жесткие ограничения существуют

для хромистых сталей.

Поковки из легированных сталей, как правило, не

допускают свободного охлаждения на воздухе. При

охлаждении в отапливаемых колодцах или с печью по-

ковки выдерживают при температуре изотермического

перлито-трооститного распада с последующим охлажде-

нием на воздухе или при температуре нормального от-

жига с последующим охлаждением вместе с печью. Та-

кой отжиг бывает, в частности, необходимым при штам-

повке флокеночувствительной стали.

Поковки из легированной стали малых толщин (до

150 мм) обычно охлаждаются в ящиках с песком или

окалиной.

Режимы охлаждения конкретных марок сталей мож-

но найти в справочной литературе [12].

1.4. Влияние горячей объемной штамповки на структуру

и механические свойства металла

Горячая объемная штамповка, включающая обра-

ботку металлов давлением и термическое воздействие

на деформируемую заготовку, осуществляет придание

требуемых формы и размеров поковке и получение опти-

мальной структуры металла при минимальных остаточ-

ных напряжениях.

В процессе нагрева наблюдается значительное паде-

ние прочности обрабатываемого металла (табл. 1.1) и

повышение его пластичности. Наибольшая пластичность

достигается при температурах рекристаллизации метал-

лов и сплавов. Однако при нагреве до температур плав-

ления наблюдается резкий рост зерна с последующим

пережогом, обусловливающий минимальные пластиче-

ские свойства металла. Снижение пластичности наблю-

дается также в отдельных температурных зонах, в обла-

стях температур фазовых превращений, явлений старе-

ния, неполной рекристаллизации и т. п.

Конечная структура и механические свойства дефор-

мированного металла зависят от термомеханического

Табл. 1.1. Предел прочности стали оь при нагреве до ковочных

температур

а^ стали в хо-

Температура,

°с

лодном состоя-

нии, МН/м

600

700

800 900

1000 | 1100

1200

1300

400 120 85 65

45 30

20 15

600

250 150 110 75 55

35 25

800

375 250 165

110

1000

— —

230

160

110 70

режима горячей штамповки, определяемого наряду с

температурой обработки такими основными факторами,

как степень, скорость деформации и вид напряженного

состояния в процессе обработки.

Температурный интервал штамповки при этом

играет основную роль: максимальная температура нагре-

ва обеспечивает наивысшую пластичность обрабатывае-

мого металла, а минимальная температура конца штам-

повки предотвращает нежелательный рост зерен. Главны-

ми факторами, определяющими указанный допустимый

интервал температур штамповки, являются химиче-

ский состав сплава и его физические свойства. Необхо-

димый интервал температур штамповки определяется

временем, нужным для выполнения данной операции, и

лежит в пределах допустимого. Температурный интер-

вал для штамповки легированных, высоколегированных

сталей и цветных сплавов устанавливают по таблицам

[12, 13].

Иногда технологи снижают верхнюю границу темпе-

ратурного интервала штамповки из-за необходимости

уменьшения чрезмерного окалинообразования или обез-

углероживания металла.

1.5. Основные виды

горячей объемной штамповки

Формообразование поковок осуществляется на раз-

личных видах кузнечно-штамповочного оборудования,

обусловливающих определенные особенности конструи-

рования штамповой оснастки. В то же время штам-

повка на универсальном оборудовании (молотах, прес-

сах, ГКМ) имеет общие черты, связанные с использова-

нием любого из основных типов штампов: открытого,

закрытого и штампа для выдавливания.

Тип штампа определяет течение металла и, следова-

тельно, конечную его макроструктуру, т. е. прочность

и долговечность штампованных деталей. Его следует

принимать во внимание при технико-экономическом вы-

боре способа штамповки. В этом смысле подобное под-

разделение штамповки на виды следует считать основ-

ным.

Несмотря на то что облойная штамповка связана с

большими потерями металла (например, в автотрактор-

ной промышленности отходы на заусенец достигают

16—18% от массы штампуемого металла), она в настоя-

щее время наиболее распространена и производится на

различных видах оборудования.

С целью уменьшения расхода металла с облоем при-

меняют предварительное фасонирование заготовок, по-

зволяющее «отодвинуть» момент образования заусенца

к концу штамповки. В этом случае окончательное запол-

нение полости штампа происходит при затекании метал-

ла в мостик облойной канавки, что обеспечивает необ-

ходимый подпор, а в магазин попадают только излиш-

ки объема заготовки при доштамповке.

При штамповке в закрытых штампах (безоблойной)

замкнутая со всех сторон полость штампа заполняется

вследствие перераспределения исходного объема заго-

товки без отхода металла в облой. В этом случае между

подвижной и неподвижной частями штампа сохраняется

постоянный зазор, предохраняющий последние от закли-

нивания. В конце штамповки в него может вытекать

избыточный металл, образуя незначительный торцовый

заусенец. Макроструктура поковок характеризуется в

этом случае тем, что волокна металла повторяют очер-

тания контура поковки и не перерезаются при удалении

заусенца.

Особенно эффективна штамповка в закрытых штам-

пах малопластичных сплавов. Значительный боковой

подпор стенок полости штампа в этом случае повышает

гидростатическое давление, в результате чего пластич-

ность металла возрастает. Основное требование при

штамповке в закрытых штампах сводится к точности

объема исходных заготовок. Поскольку при штамповке

образование заусенца не предусматривается и объем

металла в полости практически не изменяется, то коле-

бания объема заготовок должны быть минимальными.

При этом недостаточный объем приводит к браку поко-

вок по незаполнению, а избыточный вызывает распор

штампа, что может вызвать поломку последнего и отри-

цательно сказывается на его долговечности.

Во избежание перегрузки штампов и оборудования

при попадании заготовок с избыточным объемом в конст-

рукциях закрытых штампов предусматриваются компен-

саторы, обычно располагаемые в местах наиболее труд-

ного заполнения металлом и представляющие собой от-

Зпк.

548

верстие или щель, в которые выдавливается лишний

металл после оформления поковки.

Избыток металла, вытесненный в компенсатор, в

дальнейшем удаляется. При правильно выбранных раз-

мерах компенсатора количество отходов при безоблой-

ной штамповке значительно меньше (на 20—25%), чем

при штамповке с облоем.

Штамповка в закрытых штампах осуществляется

главным образом на ГК.М, однако последнее время

растет ее использование на прессах и молотах, вызван-

ное не только стремлением сократить расход металла,

но и возможностью экономичного производства большой

номенклатуры поковок. При этом может быть осущест-

влена штамповка поковок в закрытых штампах на

КГШП (без компенсаторов) из заготовок обычной точ-

ности проката за счет выбора пресса такой жесткости

(податливости), чтобы колебания высоты поковки нахо-

дились в пределах безопасно допустимых упругих де-

формаций пресса. В этом случае требуется кривошип-

ный пресс с повышенным номинальным усилием [И].

Штамповку выдавливанием осуществляют в основ-

ном на прессах и горизонтально-ковочных машинах в

закрытых штампах, имеющих выходное (сквозное) от-

верстие, через которое часть деформируемого металла

выдавливается за пределы основной полости. Отходом в

этом случае является лишь часть избыточного объема

заготовки, выдавливаемая в выходную полость и не-

сколько увеличивающая длину образующегося стержня.

Главное преимущество процесса выдавливания пе-

ред штамповкой в открытых штампах состоит в возмож-

ности получения поковок с очень точными размерами и

весьма качественной поверхностью. Однако этот процесс

отличается высокими удельными усилиями, большими

энергозатратами и относительно низкой стойкостью

штампов.

1.6. Разработка чертежа поковки

и установление технических требований

Общие сведения. При разработке технологического

процесса объемной штамповки основными исходными

данными являются: а) чертеж готовой детали с техни-

ческими условиями; б) программа выпуска поковок,

обусловливающая выбор способа штамповки и вариан-

та технологического процесса.

Чертеж поковки разрабатывается по чертежу гото-

вой детали, при этом простановка размеров (с учетом

припусков и допусков) производится только от исход-

ных баз механической обработки. От правильного кон-

струирования поковки зачастую зависит сложность, а

иногда и возможность ее рационального изготовления.

Разработку чертежа штампованной поковки произво-

дят в следующем порядке: в результате тщательного

анализа исходных данных устанавливают точность из-

готовления и степень сложности поковок; в соответствии

с принятым способом штамповки определяют конфигу-

рацию поверхности разъема и положение линии разъ-

ема штампа; назначают припуски на механическую

обработку и допуски на размеры поковки; устанавли-

вают кузнечные напуски и величину радиусов закругле-

ний; в поковках с отверстиями конструируют наметку и

определяют размеры пленки под пробивку; устанавли-

вают технические требования на поковку.

Величины и правила назначения припусков, допус-

ков и кузнечных напусков при штамповке стальных по-

ковок регламентируются соответствующим стандартом

(ГОСТ 7505—74). При конструировании штампованных

поковок из цветных металлов и сплавов пользуются раз-

личными нормалями [12, 23].

Стандарт предусматривает разделение стальных по-

ковок по точности изготовления на два класса: пер-

вый — поковки повышенной точности и второй — поков-

ки нормальной точности, обусловленные требуемой точ-

ностью размеров поковки, а также условиями и харак-

тером производства (серийное или массовое). Поковки

более высокой точности, достигаемой калибровкой, вы-

делены в специальный класс. При этом допускаются

различные классы точности для разных размеров одной

и той же поковки.

Для определения величины припусков и допусков

стандарт предусматривает две группы стали (М1 —

углеродистые и легированные стали с содержанием до

0,45% С и легирующих элементов до 0,2%; М2 — леги-

рованные стали, кроме указанных выше) и четыре сте-

пени сложности поковок (С1—С4).

Степень сложности поковок, изготовляемых горячей

объемной штамповкой на различных видах кузнечно-

ирессового оборудования, определяется отношением мас-

сы (объема) поковки к массе (объему) цилиндра или

параллелепипеда, в который вписывается поковка. Ре-

зультирующие величины степеней сложности следую-

щие: С1 =0,63—1,0;

С2

0,32—0,63; С3

= 0,16—0,32; С4

до 0,16.

Дополнительными критериями сложности поковок,

изготовляемых на молотах и прессах, является размер

выступов

(Н

— высота,

— основание): С1—/г^0,ЗЬ;

С2 — Н^Ь; СЗ — С4 — Н^\,5Ь. Для поковок,

штампуемых на ГКМ и прессах методом выдавливания,

учитывается также количество переходов (для С1 —два

перехода; С2 — три перехода; СЗ — четыре перехода;

С4 — пять и более переходов).

При штамповке поковок типа тонких дисков, флан-

цев или колец принимается высшая степень сложности

(С4) в том случае, если отношение соответствующей

толщины полотна диска, фланца или кольца к его диа-

метру не превышает 0,20.

Массу поковок определяют по чистовым размерам

детали с учетом припусков, напусков и 0,5 положитель-

ного отклонения (верхнего допуска) для наружных раз-

меров и 0,5 отрицательного отклонения (нижнего допу-

ска) для внутренних размеров и полостей. В массу по-

ковки не входит масса той ее части, которая не подвер-

гается деформации, а также масса облоя. Исключение

лишь составляет масса части стержня, зажимаемого

штампами при высадке на ГКМ или местной штампов-

ке на молотах и прессах.

Определение положения линии разъема. Поверхность

разъема штампа обычно выбирается в виде плоскости

или сочетания плоскостей, а ее положение определяется

в первую очередь формой поковки исходя из возможнос-

ти ее свободного извлечения из ручья. Разъем верхней и

нижней половин штампа на чертеже поковки обознача-

ется линией, проходящей по наружному ее контуру. При

наличии углублений линия разъема проходит также по

внутренним контурам поковки.

В открытом ручье разъем устанавливают в плоско-

сти двух наибольших взаимно перпендикулярных раз-

меров поковки. При этом обеспечивается минимальная

глубина ручьев и максимальная их длина и ширина,