Горячая штамповка, которая предполагает деформирование металлической заготовки в нагретом состоянии, используется для того, чтобы изменить не только конфигурацию этой заготовки, но и ее размеры. Чаще всего такая технологическая операция применяется для того, чтобы изменить геометрические параметры не в одной плоскости, а в нескольких измерениях. В таких случаях эта процедура носит название «горячая объемная штамповка».
Сущность технологии
Сущность процесса горячей штамповки заключается в том, что готовое изделие из металла получают из нагретой до определенной температуры заготовки, воздействуя на нее давлением, для чего используется специальный штамп. При выполнении горячей штамповки температура заготовки изменяется от состояния просто нагретой поверхности до ковочной. Чтобы ограничить течение нагретого металла в ненужном направлении, на отдельных участках внутренней поверхности штампа выполняют специальные полости и выступы. Таким образом, внутренняя поверхность штампа формирует замкнутую полость (ручей), конфигурация которой полностью соответствует форме готового изделия.
Горячая объемная штамповка (ГОШ) выполняется на металлических брусках различного профиля – квадратного, прямоугольного, круглого или периодического. В отдельных случаях производство готовых изделий по технологии горячей штамповки может выполняться из сплошного металлического прутка. Изначально его часть формируется в поковку с требуемыми геометрическими параметрами, а затем ее отделяют при помощи резки. Однако, как правило, заготовки для горячей штамповки нарезают из металлического прутка.
Наибольшую эффективность , предполагающая их предварительный нагрев, демонстрирует при серийном и массовом производстве. В частности, в использовании данной технологии для производства металлопродукции крупными и массовыми сериями есть целый ряд преимуществ.
- Отходы металла, из которого производится продукция, уменьшаются.
- Увеличивается производительность труда.
- При помощи данной технологии можно изготавливать изделия даже очень сложной конфигурации.
- Готовые изделия, полученные методом горячей , отличаются не только особой точностью геометрических параметров, но и высоким качеством поверхности.
Схема технологического процесса изготовления детали типа «шатун» методом горячей объемной штамповки
Технологический процесс горячей штамповки включает в себя большой перечень операций, выполняемых начиная с момента загрузки детали из металла в зону обработки и заканчивая выгрузкой из оборудования готового изделия. Проектирование такого процесса подразумевает соблюдение следующего алгоритма:
- выбрать метод, по которому будет изготовляться изделие: на штампах с открытым или закрытым ручьем;
- разработать подробный чертеж готовой поковки;
- установить, за сколько переходов можно сделать готовое изделие;
- для каждого перехода разработать чертеж формируемой поковки;
- в зависимости от требуемой мощности для каждого этапа технологического процесса выбрать соответствующее оборудование и сформировать штампы;
- перед горячей штамповкой нагреть заготовку, выбрав способ нагрева и режимы его выполнения;
- в зависимости от требований к качеству готового изделия определить перечень финишных операций, которым будет подвергнута поковка.
На завершающей стадии разработки технологического процесса необходимо выполнить расчет его экономических и технических показателей.
Обработка металла, выполняемая методом горячей штамповки, может осуществляться по различным технологиям, особенности реализации которых зависят от целого ряда параметров: типа используемого оборудования, геометрических параметров и материала изготовления формируемого изделия. По технологии ГОШ можно изготавливать следующие типы деталей.
УдлиненныеВ качестве таких изделий могут выступать валы различного назначения, шатуны, рычаги и другие детали подобной конструкции. Для их производства используют штамповочный пресс. Обрабатываются они методом горячей штамповки плашмя, при этом исходная заготовка подвергается операции протяжки. Заключительным этапом производства является фасонирование методом свободной ковки, выполняемое в заготовительных вальцах ковочных вальцов.
ДисковыеЭто шестерни, фланцы, ступицы, крышки и другие детали круглой или квадратной конфигурации, отличающиеся относительно небольшой длиной. Чтобы изготовить продукцию данного типа, используют технологию осадки, которая выполняется в торец обрабатываемой заготовки. Для реализации такой технологии требуется использовать штамповочные переходы.
Штамповочные ручьи
При обработке предварительно нагретых изделий из стали, как и при горячей штамповке латуни, применяют штамповочные ручьи, которые могут быть:
- протяжными (с их помощью увеличивают длину отдельных участков обрабатываемых деталей: по той части заготовки, которую необходимо удлинить, наносятся частые, но несильные удары, одновременно выполняется кантование обрабатываемой детали);
- заготовительными (их целью является фасонирование обрабатываемой заготовки: металл перераспределяется в ее общем объеме для того, чтобы придать готовому изделию такую форму, которая обеспечивает минимальный отход материала);
- пережимными (их выполняют для уменьшения высоты отдельного участка заготовки с одновременным увеличением его ширины);
- подкатными (ручьи, в которых металл заготовки равномерно распределяется по ее оси, при этом увеличивается диаметр отдельных ее участков);
- гибочными (в них заготовка поступает с изогнутой осью, формируется поковка, угол изгиба которой составляет 90°).
К штамповочным ручьям, в которых изготовляемый элемент приобретает требуемую форму, относятся:
- предварительные, или черновые, в которых форма обрабатываемой заготовки максимально приближается к конфигурации поковки (особенности такого ручья, который может и не использоваться при выполнении горячей штамповки, заключаются в том, что он имеет несколько увеличенную глубину, также в нем, по сравнению с параметрами чистового изделия, увеличены уклоны и радиусы скругления);
- чистовые, в которых деталь приобретает конечную форму, но ее размеры увеличены на величину усадки металла при его остывании (поскольку в таких ручьях на заготовку необходимо оказывать максимальные усилия, располагают их в центральной части штампа).
Технологические схемы штамповки
Из используемых на сегодняшний день схем выполнения горячей штамповки следует выделить только две.
Закрытая штамповкаЭто технологическая операция, выполняемая в штампе, зазор между подвижной и неподвижной частями которого минимален. Горячую штамповку по данной методике можно выполнять на прессах, когда выступом оснащена верхняя часть штампа, а полостью – нижняя, или на молотах, когда полость находится в верхней части рабочего инструмента, а выступающая часть – в нижней. Применение штампов данного типа требует того, чтобы объемы поковки и готовой детали точно совпадали. Штампы закрытого типа могут иметь не одну, а две плоскости разъема, располагающиеся под прямым углом друг к другу.
Открытая штамповка
Между подвижной и неподвижной частями штампа для горячей штамповки открытого типа имеется специальный зазор, в который выдавливаются излишки металла, образующиеся в процессе его деформирования. Штампы открытого типа, что является их большим преимуществом, можно применять для поковок любого вида.
В крупносерийном и массовом производствах обработку давлением осуществляют преимущественно методом штамповки, так как при этом поковки в партии могут быть получены одинаковые по форме и объему, с большой точностью размеров при хорошем качестве поверхности и с уменьшенными припусками на обработку по сравнению с поковками, получаемыми свободной ковкой. Штампованные поковки всегда более близки по форме и размерам к готовой детали.
Применение горячей объемной штамповки вместо свободной ковки приводит к повышению производительности труда в кузнечном цехе и снижению трудоемкости в механических цехах. Точность размеров штампованных деталей позволяет уменьшить припуски на механическую обработку, благодаря чему значительно сокращается расход металла на деталь. Способ спаренной и многоштучной штамповки для одновременного получения двух и более поковок, наряду с повышением производительности труда, дает значительную экономию металла, увеличивает коэффициент «выхода годного» в кузнечно-штамповочном цехе и по заводу.
В механических цехах снижение трудоемкости при обработке штампованных деталей обеспечивается еще и тем, что, благодаря идентичности (одинаковости) базовых размеров поковок, представляется возможность применять многоместные приспособления и механизировать питание металлорежущих станков заготовками.
Технологический процесс горячей объемной штамповки деталей на молоте или кривошипно-штамповочном прессе состоит из следующих основных последовательно проводимых операций: резки или рубки заготовки, нагрева заготовки, штамповки, обрезки облоя (заусенцев), термической обработки, очистки от окалины и поверхностных дефектов, правки и (в случаях надобности) калибровки. При этом обрезка облоя (заусенца), очистка от окалины, заточка поверхностных дефектов, правка и калибровка являются отделочными операциями.
При горячей объемной штамповке происходит главным образом осадка металла и раздача его от середины к краям полости штампа.
Нагретую заготовку определенного размера и формы помещают в полость нижней половины штампа, в которой металл под воздействием удара (или нажатия) на верхнюю половину штампа потечет согласно закону наименьшего сопротивления как в полость, так и в зазоры между незамкнувшимися еще половинками штампа, образуя заусенец раньше, чем металл заполнит всю полость штампа. Когда заусенец становится тонким и подстывает, то сопротивление истечению металла в зазоры значительно возрастает, металл заготовки потечет в направлении труднозаполняемых полостей штампа.
Такой способ получения поковок называется штамповкой в открытых штампах. При этом способе часть металла заготовки в виде заранее предусмотренного излишка выходит в облой, вытекая в специально выполненную по разъему штампа канавку, образуя заусенец.
Если характер течения металла при заполнении рабочей полости штампа определяется отсутствием полостей для вытекания облоя, то в этом случае штамповку ведут в закрытых штампах. При этом способе в заготовке не предусматривают излишка металла для образования облоя, поэтому такая штамповка называется безоблойной.
а, б, в — в открытом штампе;
г — в закрытом (безоблойном).
Штамповка в закрытых штампах обеспечивает высокие механические свойства поковок. Это объясняется тем, что металл деформируется по схеме всестороннего неравномерного обжатия и после пластической деформации волокна, ориентированные в направлении контура поковки, не перерезаются при обрезке заусенцев.
Повышение точности поковок после штамповки
Для получения точных размеров и высокого качества поверхности поковок с исключением последующей механической обработки применяют дополнительные отделочные операции после штамповки. В число этих операций входят калибровка плоскостная или объемная в горячем, полугорячем и холодном состоянии (чеканка).
Степень повышения точности размеров и чистоты поверхности поковок зависит от способа обжатия (условий течения металла), от температуры нагрева металла, а также от оборудования, на котором выполняется калибровка.
При плоскостной калибровке металл течет неограниченно в стороны, перпендикулярные направлению обжима. При объемной калибровке свободное течение обжимаемого металла ограничено, а излишек его выходит в заусенец.
Горячая калибровка бывает обычно объемной. Выполняют ее немедленно после горячей обрезки заусенца с одного нагрева со штамповкой. Образовавшийся вторичный заусенец удаляют (обрезают) вхолодную после охлаждения поковки. Горячую калибровку осуществляют в чистовом ручье штампа, устанавливаемого на штамповочном молоте или фрикционном винтовом прессе, но лучше всего эту операцию выполнять на кривошипном горячештамповочном прессе.
Холодная калибровка — чеканка может быть плоскостной и объемной, но выполнять ее рекомендуется только на чеканочных кривошипноколенных прессах в специальных чеканочных штампах.
При недостаточности усилия имеющегося в цехе пресса или при калибровке поковок из низкопластичных сталей полугорячую калибровку осуществляют на чеканочных прессах. Для этого очищенную от окалины и поверхностных дефектов поковку нагревают в печах с защитной безокислительной атмосферой при температуре не ниже 600° С и не выше температуры структурных превращений для данной стали.
Подвергаемые холодной калибровке поковки предварительно очищают от окалины и поверхностных дефектов.
«Свободная ковка», Я.С. Вишневецкий
При обрезке заусенцев поковка несколько деформируется (коробится) и для устранения этого дефекта вводится операция правки. Правку осуществляют под штамповочным молотом или прессом сразу после обрезки заусенцев в чистовом штамповочном ручье одним ударом молота или нажатием пресса. Поковки, у которых заусенец обрезан в холодном состоянии, правят в штамповочном ручье на падающих молотах «в холодную». Термическая обработка…
Отпуск получают при нагреве закаленной стали до температур ниже линии PSK, выдержке и последующем охлаждении. Смотреть рисунок – Часть диаграммы состояния сплавов железо-углерод, относящаяся к сталиОтпуск, полученный при нагреве до температур 120—206° С, называют низким, и применяют его после закалки поковок из углеродистых и легированных сталей. Отпуск, осуществляемый при нагреве до температур 350—650° С, называют…
Технологические возможности горячей объемной штамповки на горячештамповочных кривошипных прессах значительно шире, чем на штамповочных молотах, несмотря на затруднения с протяжкой и подкатыванием заготовок на прессах. Расход металла за счет сокращения штамповочных уклонов, отсутствия клещевины на поковках и внедрения штамповки без заусенцев значительно меньше, чем при штамповке на молотах. Большая точность горизонтальных и вертикальных размеров поковок…
Технология производства штампованных деталей методом горячей объемной штамповки в основном ориентируется на внедрение технологических процессов, осуществляемых на наиболее современных штамповочных машинах. Однако необходимость максимально эффективного использования действующего в цехе парка кузнечно-штамповочного оборудования и экономические соображения открывают возможности при серийном производстве рационального ведения ковки-штамповки методом расчленения операций. Комбинированная (раздельная) штамповка на разном оборудовании основана на том,…
Этот способ резки применяют в кузнечных цехах при свободной ковке и для грубой разделки крупных заготовок из толстолистового металла и штанг фасонного профиля. Ацетилен, пары бензина и керосина, сжигаемые в струе кислорода, создают пламя, необходимое для подогрева металла до температуры горения. С помощью этого пламени, направляемого специальными резаками и так называемыми бензорезами и керосинорезами, происходит…
Задача:Перед горячей штамповкой платоновую болванку массой 15кг нагрели от 15 до 750 градусов по цельсию.Какое количество теплоты отдаст болванкаокружающим телам при охлаждении до 15 градусов по цельсию?
1.Какое количество теплоты потребуется нагревания золотой детали массой 5 грамм от 10 до 360 градусов?2. Какое количество выделилось при охлаждении стальной детали массой 5 кг от 355 до 150 градусов? 3. 3.Определите удельную теплоемкость металла, если для изменения температуры от 20 до 240 градусов у бруска массой 100 грам, сделанного из этого металла, внутренняя энергия увеличивается на 152 Джоулей.
А18. Какое количество теплоты отдаст в окружающее пространство медь массой 1 кг, охлаждаясь на 1 0С?1) 1 Дж; 2) 0,38 Дж; 3) 380 Дж; 4) 3,8 Дж; 5) 380 000 Дж.
А19. Какое количество теплоты потребуется для нагревания цинка массой 250 г на 1 0С?
1) 1900 Дж; 2) 260 Дж; 3) 95 Дж; 4) 38 Дж; 5) 3800 Дж.
А20. Какое количество теплоты потребуется для нагревания латуни массой 250 г от 20 0С до 620 0С?
1) 17 600 Дж; 2) 570 000 Дж; 3) 2600 Дж; 4) 130 000 Дж; 5) 57 000 Дж.
А21. Какое количество теплоты потребуется для нагревания воды массой 0,5 кг от 20 0С до 21 0С?
1) 2,1 кДж; 2) 6,8 кДж; 3) 8,4 кДж; 4) 21 кДж; 5) 42 кДж.
А22. Алюминиевую ложку массой 50 г при температуре 20 0С опускают в горячую воду при температуре 70 0С. Какое количество теплоты получает ложка?
1) 4,8 кДж; 2) 19 кДж; 3) 138 кДж; 4) 54,2 кДж; 5) 2,3 кДж.
А23. На сколько градусов нагреется цинковая деталь массой 40 г, если ей сообщить 760 Дж энергии?
1) 10 0С; 2) 20 0С; 3) 50 0С; 4) 4 0С; 5) 1 0С.
А24. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании древесного угля массой 10 кг?
1) 3,4 х 107 Дж; 2) 3,4 х 106 Дж; 3) 3,4 х 108 Дж.
А25. Сколько килограммов дров надо сжечь, чтобы получить такое же количество теплоты, как при сжигании 2 кг каменного угля?
1) 6,8 кг; 2) 5,4 кг; 3) 8,4 кг.
А26. Удельная теплота сгорания топлива – это количество теплоты, выделяющееся:
1) при полном сгорании топлива;
2) при сгорании топлива;
3) при сгорании топлива массой 1 кг.
А27. При смешивании горячей воды массой 0,2 кг при температуре 40 0С с холодной массой 0,2 кг при температуре 15 0С получили смесь температурой 27 0С. Какое количество теплоты отдано горячей водой (Q1)?
1) 17 600 Дж; 2) 12 500 Дж; 3) 8600 Дж; 4) 15 100 Дж; 5) 10 900 Дж.
А28. Какое количество было получено холодной водой (Q2)?
1) 10 800 Дж; 2) 13 400 Дж; 3) 12 000 Дж; 4) 16 800 Дж; 5) 8000 Дж.
А29. Одинаковое ли количество теплоты отдано горячей водой и получено холодной?
1) Q1 = Q2; 2) Q1 > Q2; 3) Q1 < Q2.
А30. Какого результата можно ожидать, если учесть потери при нагревании (или охлаждении) сосуда, термометра, воздуха?
1) Q1 = Q2; 2) Q1 > Q2; 3) Q1 < Q2.
В1. Определите, какое количество теплоты потребуется для нагревания смеси из 300 г воды и 50 г спирта от 20 0С до 70 0С.
В2. Сколько граммов спирта потребуется, чтобы нагреть до кипения 3 кг воды, взятой при температуре 20 0С?
В3. В резервуаре нагревателя находится 800 г керосина. Сколько литров воды можно нагреть этим количеством керосина от 10 0С до 100 0С, если на нагревание расходуется 40% выделяемой энергии?
С1. Металлический цилиндр массой 200 г нагрели в кипящей воде до 100 0С и затем опустили в воду массой 400 г, имеющую температуру 22 0С. Через некоторое время температура воды и цилиндра стала равной 25 0С. Какова удельная теплоемкость металла, из которого сделан цилиндр?
С2. Вода массой 150 г, налитая в латунный калориметр массой 200 г, имеет температуру 12 0С. Найдите температуру, которая установится в калориметре, если в воду опустить железную гирю массой 0,5 кг, нагретую до 100 0С.
Под штамповкой понимают операцию, в процессе которой материал подвергается пластической деформации, предполагающей изменение его начальных размеров и формы. Одним из типов такой деформации является горячая объемная штамповка (стакан, чаша, детали другого вида).
1 Горячая объемная штамповка – технологический процесс (сущность процесса)
ГОШ представляет собой востребованный вариант обработки металлов давлением, в ходе которой поковка из определенной заготовки образуется при помощи штампа (при изменении температуры от нагретой до ковочной). Выступы и поверхностные полости (они производятся в отдельных зонах штампа) ограничивают течение металла. На финальной стадии штамповки они создают замкнутый единый ручей (полость), соответствующий конфигурации поковки.
Заготовками для процесса выступает квадратный, периодический, круглый или прямоугольный прокат, (например, ). В некоторых случаях штамповку выполняют непосредственно из прутка, а затем, на штамповочном агрегате, отделяют поковку. Но чаще заготовки требуемых размеров нарезают из прутка изначально. Область применения горячей объемной штамповки и оборудование для нее обуславливают то, что использовать данный метод обработки металлов имеет смысл при массовом и серийном производстве, так как отмечается:
- уменьшение отходов материала;
- увеличение производительности труда;
- возможность получения изделий, которые имеют крайне сложную конфигурацию;
- высокое качество поверхности готового изделия, а также точность формы.
В целом под стандартным техпроцессом горячей штамповки понимают комплекс операций, имеющих прямое отношение к изменению геометрических параметров и формы начальной заготовки.
Он охватывает все процедуры, которые начинаются в момент подачи в обработку металла и заканчиваются выпуском готовой поковки. Разрабатывают технологический процесс ГОШ в определенной последовательности:
- выбирается вариант штамповки (с закрытым или открытым ручьем) и создается чертеж поковки;
- устанавливаются переходы процесса, а также размеры и формы заготовки;
- выбирается (по показателям требуемой мощности) кузнечно-штамповочная установка (пресс, молот, ГКМ и т. д.);
- выполняется формирование штампов;
- определяется способ нагрева и интервал температур, при которых будет производиться операция;
- устанавливается тип отделочных и завершающих этапов штамповки.
На финальной стадии выполняется расчет экономических и технических показателей технологического процесса.
На данный момент штамповка (объемная) выполняется по технологическому процессу, отличающемуся существенным разнообразием. Конкретная его схема определяется используемым оборудованием, выбором изделия, которое необходимо получить, формой поковки. По форме поковки могут быть такими:
- Удлиненными: рычаги, всевозможные валы, шатуны и так далее. Их штампуют плашмя (исходная заготовка протягивается). Обязательно нужно перед окончательной штамповкой произвести фасонирование заготовки свободной ковкой, в заготовительных ручьях, на ковочных вальцах.
- Дисковыми (диски): фланцы, шестерни, крышки, ступицы и другие квадратные либо круглые поковки с относительно малой длиной. Их штампуют по технологии осадки (с использованием штамповочных переходов) в торец начальной заготовки.
2 Какими бывают штамповочные ручьи?
Для ГОШ применяются следующие виды ручьев:
- протяжные: дают возможность увеличить протяженность отдельных зон заготовок (добиваются этого снижением площади их сечения посредством слабых частых ударов с одновременным кантованием);
- заготовительные: с их помощью в штампах производится фасонирование, под которым понимают перераспределение в заготовке металла, позволяющее получить такую форму, которая бы обеспечила небольшое количество отходов материала;
- пережимные: позволяют за несколько ударов снизить в местах, где требуется уширение, вертикальную величину заготовки;
- подкатные: применяются для одинакового распределения металла в поковке и вдоль оси заготовки за счет увеличения (местного) диаметра последней;
- гибочные: используются в тех случаях, когда поковка характеризуется осью изогнутого вида, из такого ручья поковка поступает в следующую зону обработки с 90-градусным поворотом.
Непосредственно же к штамповочным относят следующие типы ручьев:
- Предварительный (у профессионалов он именуется черновым). Ручей необходим для того, чтобы поковки и заготовки сложной формы были максимально идентичны друг другу. Он описывается меньшими поперечными параметрами, немного большей глубиной, увеличенными уклонами и радиусами скругления по сравнению с чистовым ручьем. Предварительного ручья может и не быть.
- Чистовой. Он дает возможность получить готовую горячую поковку, которая по своим размерам крупнее на показатель усадки холодной поковки. В чистовом ручье в процессе ГОШ отмечаются максимальные усилия, поэтому он находится в центре штампа.
3 Схемы штамповки – как все происходит?
Тип штампа устанавливает процесс течения металла. По типу и принято классифицировать схемы штамповки. Их всего две:
- В закрытых штампах. При деформировании полость штампа находится в закрытом состоянии. Зазор между неподвижной и подвижной зонами штампа характеризуется минимальными размерами, которые остаются в процессе ГОШ неизменными. Вариант устройства закрытого штампа определяется видом штамповочной установки. Чаще всего верхняя часть штампа имеет выступ, а нижняя – полость (штамповка на прессах). Другой вариант (штамповка на молотах) – выступ в нижней части, полость в верхней. При использовании таких штампов очень важно следить за идентичностью объемов поковки и заготовки. Если не соблюдать данного требования, углы полости не будут заполняться металлом (при его недостатке), или же высота поковки получится больше запланированной при избытке металла. Отметим, что штамп закрытого вида может иметь две плоскости разъема, которые перпендикулярны друг другу. Кроме того, заготовки нужно отрезать очень точно, чтобы штамповка проходила по оптимальной схеме.
- В открытых штампах. Они имеют переменный зазор, в который вытекает облой (некоторый объем металла). Он позволяет заполнить полость полностью остальным металлом, так как перекрывает выход из полости. Также в облой попадают излишки металла на конечной стадии процесса деформирования (это снижает запросы к точности заготовок по весу). Штамповка в открытых штампах выполняется в четыре стадии: осадка заготовки, соединение стенок штампа с заготовкой, вытекание "лишнего" металла в канавку при его обжатии и удаление из полости избыточного металла. Достоинством открытых штампов можно считать то, что в них производят любые виды поковок.
Закрытые штампы тоже имеют свои преимущества:
- структура поковок является более благоприятной (волокна не перерезаются в облой в точке вытекания металла, а обтекают поковочный контур), благодаря чему достигается уникальная точность поверхности деталей, для которых впоследствии не применяются никакие ;
- так как облоя при такой схеме нет, расход металла значительно снижается;
- есть возможность получать сплавы с малым показателем пластичности и с более высоким уровнем деформации, которая выполняется при высоких напряжениях неравномерного всестороннего сжатия.
