Горячая объемная штамповка (ГОШ)

Объемная штамповка — вид обработки металлов давлением, при кото­ром формообразование поковки осуществляется пластическим деформиро­ванием заготовки в специальном инструменте — штампе. Полости в верхней и нижней частях штампа называют ручьями штампа.

Течение металла в штампе ограничивается поверхностями полости штампа, и в конечный момент штамповки при смыкании они образуют еди­ную замкнутую полость, соответствующую по конфигурации поковке.

Исходным материалом для ГОШ служат прокатанные или прессованные прутки круглого, квадратного или прямоугольного сечения, а также перио­дический прокат. Штамповку можно вести непосредственно от прутка с по­следующим отделением его от штампованной части, однако чаще предвари­тельно от прутка отрезают мерные куски. Штамповке подвергают чаще всего углеродистые или низколегированные стали, реже цветные металлы и спла­вы. Основными достоинствами ГОШ являются:

1. Высокая производительность — до сотен поковок в час.

2. Меньшие припуски и допуски, чем при ковке. Это приводит к уп­рощению механической обработки и снижению ее трудоемкости. У дета­лей, полученных ГОШ, часто обрабатываются только сопрягаемые по­верхности.

3. Квалификация штамповщика может быть существенно меньшей, чем кузнеца.

Вместе с тем следует знать, что для ГОШ требуются значительно боль­шие усилия, чем при ковке однотипных деталей. Это связано с тем, что при штамповке течение металла затруднено трением о стенки ручья и тем, что деформации одновременно подвергаются большие объемы заготовки.

Кроме того, масса штампованных поковок ограничивается мощностью оборудования; обычно это до 100—200 кг.

Процесс штамповки выполняется в зависимости от вида поковки, рода материала и характера производства на установках различного вида. Наибо­лее широкое распространение получила штамповка на молотах, прессах, го­ризонтально-ковочных машинах, ковочных или ротационно-обжимных вальцах и другом оборудовании.

Молоты представляют собой машины динамического действия на обра­батываемый металл и чаще всего характеризуются массой падающих частей; в отдельных случаях им придается дополнительное ускорение давлением пара или воздуха (0,7—0,9 МН/м²). К моменту ударного деформирования молоты накапливают кинетическую энергию

то¹

^Е'-~Т'

где т — масса падающих частей, кг; v — линейная скорость падающих час­тей в момент соприкосновения с деформируемым телом, м/с.

Для производства сравнительно мелких поковок пневматические моло­ты имеют массу падающих частей 100—1000 кг, для крупных — до 30 т. Молоты могут производить до 55 ударов/мин. Штампованные поковки на молотах производят массой до 1000 кг, при этом в каждом ручье штамповку выполняют за 2—4 удара.

20.3. Разновидности горячей объемной штамповки

Большое разнообразие форм и размеров штампованных заготовок и ма­териалов, из которых они штампуются, обусловливает различные способы их получения в зависимости от типа штампов, способа установки в штампе, вида применяемого оборудования.

В зависимости от типа штампа ГОШ подразделяют на штамповку в откры­тых штампах, штамповку в закрытых штампах и в штампах для выдавливания.

Штамповка в открытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования незамкнута (рис. 20.2). В течение всего процесса деформирования между верхним и нижним штампами существует переменный зазор, который постепенно уменьшается. В него выдавливается металл, образующий по периметру поковки заусенец (облой). Процесс де­формирования исходной заготовки в открытом штампе можно представить

Рис. 20.2. Штамповка в открытых штампах:

а — начальная стадия; б — стадия образования заусенца; в — конечная стадия штамповки, 1—2 — нижняя и верхняя половины штампа, 3 — исходная заго­товка, 4 — заусенец, 5 — заусеничная канавка

следующим образом. В начальный момент приложения силы часть металла вытекает из полости ручья в заусенечную канавку. Объем металла, находя­щийся в ручье штампа, таким образом, не постоянен; при большом зазоре между частями штампа металл сравнительно легко вытекает в заусенец, так как сопротивление течению металла здесь меньше, чем в трудно заполняе­мых углах полости штампа. При дальнейшем деформировании в результате сжатия заусенца, уменьшения его высоты и более интенсивного охлаждения, сопротивление течению металла в заусенечную канавку резко возрастает, полость штампа все более прочно «запирается». При возрастании усилия металл уже практически не течет в заусенец, а заполняет все углы штампа. Если в начальный момент деформирования схема напряженного состояния характеризовалась как всестороннее сжатие с большой степенью неравно­мерности сил по осям, то в конечный момент эта схема все более приближа­ет до величины, необходимой для получения четко оформленной поковки. В последний момент происходит так называемая доштамповка — вытеснение избытка металла в заусенечную канавку, после чего обе половины штампа практически смыкаются.

Поковки простой конфигурации, не имеющие большой разницы попе­речных сечений по длине (высоте), обычно штампуют непосредственно из мерных прокатанных заготовок в штампах с одной полостью, т. е. в одно-ручьевых штампах. Поковки сложной конфигурации, требующие большого перераспределения металла заготовки, штамповать из заготовок постоянного профиля невозможно или нецелесообразно из-за недопустимо больших от­ходов в заусенец.

В этом случае необходимо применять предварительно профилирован­ную или фасонную заготовку, т. е. заготовку приблизить к форме поковки прежде, чем производить окончательное формообразование в штамповочном ручье. Чаще всего фасонную заготовку получают в заготовительных ручьях многоручьевых штампов. При штамповке в каждом из ручьев форма заго­товки постепенно приближается к форме поковки.

Чем сложнее поковка, тем больше требуется ручьев. Каждый ручей вы­полняет свою функцию (рис. 20.3).

Правильный выбор количества и функции каждого из ручьев имеет большое значение при разработке технологии штамповки. От этого зависят экономичность и производительность процесса.

Наивысшая производительность и максимальное снижение себестоимо­сти поковок достигаются при применении в качестве фасонированных заго­товок периодического проката и вальцованных заготовок.

В этом случае фасонную заготовку получают на специализированном обо­рудовании (прокатные стены, ковочные вальцы, машины для поперечно-клиновой вальцовки и т. д.), а штамповку (как правило, без дополнительного на­грева) осуществляют на штамповочном оборудовании в одноручьевых штампах.

Поковка

Рис. 20.3. Стадии получения сложной поковки в нескольких ручьях:

/ — предварительный ручей; 2 — подкатной ручей; 3 — протяжной ручей; 4 —

окончательный ручей; 5 — губочный ручей

В процессе штамповки полость штампа изнашивается, что приводит к увеличению в допустимых пределах объема поковок. Для компенсации этого увеличения предусматривается дополнительное количество металла в заго­товке. Поскольку весь излишек металла выдавливается в заусенец, точность поковок, получаемых в открытых штампах, не зависит от точности исходных заготовок. Все поковки являются точными отпечатками полости штампа, а объем заусенца имеет переменную величину. Это позволяет не предъявлять особо высоких требований к точности исходных заготовок по массе.

Штамповка в открытых штампах наиболее распространена в настоящее время и производится на различном оборудовании: молотах, механических прессах, гидравлических прессах и т. д. Этот способ применяют для получе­ния практически всех типов поковок.

Штамповка в закрытых штампах. В отличие от открытой штампов­ки, характерной особенностью штамповки в закрытых штампах является то, что деформация заготовки осуществляется в закрытой полости штампа, весь

объем металла, находящегося в полости штампа, идет на формообразование поков­ки и ее формирование происходит без вы­текания металла в заусенец.

Рис. 20.4. Штамповка в закрытых штампах: /, 2 —верхняя и нижняя части штампа

Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа в процессе деформирования постоянный и очень небольшой (рис. 20.4). Он служит только для создания подвижности одной части штампа относительно другой и предохраняет штампы от заклинивания. Че­рез него в конце штамповки металл может вытекать в торцевой заусенец, что указывает на избыток металла в заготовке и вызывает большие напряжения в полости и излишний ее износ.

При штамповке в закрытых штампах благоприятная схема неравномер­ного всестороннего сжатия возникает в самом начале процесса, что способ­ствует лучшему проявлению пластических свойств металла. Это дает воз­можность штамповать малопластичные сплавы.

Объемная штамповка в закрытых штампах является прогрессивным технологическим способом штамповки и имеет ряд преимуществ перед штамповкой в открытых штампах. Из-за отсутствия заусенца экономится металл, ликвидируется потребность в прессах и штампах для обрезки за­усенца, снижается трудоемкость и сокращается технологический цикл изго­товления поковок. В настоящее время в автомобильном и тракторном произ­водствах, отличающихся наиболее отработанной технологией, коэффициент использования металла составляет до 0,75—0,8. В закрытых штампах полу­чают поковки более высокого качества, чем в открытых, за счет рациональ­ного распределения волокон металла, плавно обтекающих контур поковки, а также за счет более равномерной деформации металла.

Однако при штамповке в закрытых штампах требуются заготовки высо­кой точности, так как объем заготовки должен быть точно равен объему по­ковки. При недостаточном объеме заготовки поковки будут с неоформлен­ными углами, а при завышенном объеме заготовок толщина поковок будет больше заданной чертежом. Получение же точных заготовок требует допол­нительных затрат на их калибровку и на специальный инструмент для отрезки.

Срок службы закрытых штампов меньше, чем открытых, так как в них развиваются более высокие давления. Закрытые штампы часто выходят из строя из-за поломок, а не из-за стирания или смятия, как открытые штампы.

Штамповка выдавливанием характеризуется тем, что позволяет изго­товлять поковки из малопластичных высокопрочных сталей и производить обработку с наименьшими отходами металла. В зависимости от направления течения металла различают штамповку прямым выдавливанием и штамповку

I

Рис. 20.5. Штамповка выдавливанием: а — комбинированная (7 — обратное, 2 — пря­мое выдавливание), б — в разъемных матрицах

прошивкой (обратное выдавлива­ние). При прямом выдавливании течение металла происходит в на­правлении движения пуансона. При обратном выдавливании ме­талл течет в направлении, обрат­ном движению пуансона. На прак­тике также применяют комбини­рованное выдавливание, при кото­ром металл течет в прямом и об­ратном направлениях (рис.20.5, а). Если деформации подвергают заготовку с предварительно про­шитым отверстием, то получаемая поковка имеет вид полого стержня с прошитым утолщением. В этом случае также различают прямой и обратный процесс выдавливания.

Прямым выдавливанием изготовляют стержневые поковки, имеющие на одном конце утолщение (например, клапаны). Штамповкой прошивкой (об­ратное выдавливание) изготовляют поковки типа полых стаканов, гильз, раз­личных втулок и т. д. Штамповка выдавливанием производится преимущест­венно на гидравлических прессах, кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах.

Штамповка в штампах с разъемными матрицами (рис. 20.5, б) является дальнейшим развитием метода штамповки в закрытых штампах. Наличие дополнительного разъема дает возможность получить за один переход по­ковки очень сложной формы, например с выступами или отверстиями в бо­ковых стенках, не выполнимыми при штамповке в цельной матрице. Приме­нение разъемных матриц значительно увеличивает разнообразие форм поко­вок, допускающих штамповку в закрытых штампах без упрощения формы поковок назначением напусков.

Штампы с разъемными матрицами выполняются как с вертикальной, так и горизонтальной плоскостями разъема. При штамповке в разъемных матри­цах необходимо применять приспособления, автоматизирующие зажим и разъем матриц. Еще более целесообразно применять специальные машины (прессы с несколькими ползунами, прессы двойного действия и т. п.). Наи­более распространенным видом штамповки в разъемных матрицах является штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), механизм кото­рых обеспечивает как рабочее движение пуансона, так и разъем матриц.

При штамповке на ГКМ в качестве заготовок используют круглый прокат либо трубы. Основная продукция ГКМ — стержни с утолщением на концах типа клапанов, втулок, колец и др. Штамп состоит из трех

частей (рис. 20.6): неподвижной части матрицы 4, закрепленной в станине машины 3, подвижной части 6 и пуансона I. Штампуемый пруток 5 подается до упора 2 и зажимается матрицами, имеющими полости, при смыкании образующие калибр, конфигурация которого соответствует форме получаемой поковки. При движении пу­ансона металл в матрице деформируется и за­полняет полость матрицы. Благодаря разъему матрицы припуски и уклоны штамповки мини­мальны или вовсе отсутствуют. При обратном ходе машины пуансон и подвижная матрица возвращаются в исходное положение и поковка извлекается из ручья.

Штамповка на ГКМ может осуществляться в одном или нескольких ручьях, оси которых распо­лагаются по вертикали одна над другой.

Рис. 20.6. Схема штам­повки на горизонтально-ковочных машинах: / — пуансон, 2 — упор; 3 — станина, 4 — неподвижная матрица; 5 — заготовка; б — подвижная матрица

Преимущества штамповки на ГКМ перед штамповкой в неразъемных матрицах — более высокая производительность, возможность полу­чения поковок без заусенцев, с минимальными припусками на обработку, получение поковок типа колец подшипников без отхода материала на обра­зование отверстия, улучшение структуры металла.