Проектирование поковок

1. Обработка металлов давлением в современном машиностроении

В современной металлообрабатывающей промышленности обработка металлов давлением является одним из основных способов формообразования деталей машин различного назначения. Примерно 90 % стали и более 55 % цветных сплавов, выплавляемых в России, подвергаются обработке давлением.

Все процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлических материалов в твердом состоянии устойчиво изменять форму и размеры под действием приложенных внешних сил, т. е. пластически деформироваться. Обработка металлов давлением существенно отличается от других видов обработки, так как в процессе пластической деформации металл не только приобретает требуемую форму, но и меняет свою структуру (форму и размеры зерен, характер распределения неметаллических включений, возникновение направленности макроструктуры) и физико-механические свойства.

Несмотря на многообразие процессов обработки давлением, их можно объединить в две основные группы – процессы металлургического и машиностроительного производства.

К первой группе относятся прокатка, прессование и волочение, т. е. процессы, в основе которых лежит принцип непрерывности технологического цикла. Продукцию металлургического производства (листы, полосы, ленты, периодический и профильный прокат, трубы, профили, проволоку и т. п.) используют как заготовку в кузнечно-штамповочных и механических цехах и как готовую продукцию для создания различного рода конструкций.

Во вторую группу входят ковка, объемная штамповка (горячая и холодная), листовая штамповка и специальные виды обработки давлением (калибровка, раскатка кольцевых деталей, редуцирование, обкатка, раздача и т. д.). Эти процессы обеспечивают получение заготовок изделий (деталей) и готовых деталей, не требующих последующей механической обработки. Возможность использования высоких, сверхвысоких скоростей деформирования, небольшое число необходимых, относительно несложных технологических операций обусловливают кратковременность технологического процесса, высокую производительность и сравнительно низкую себестоимость получаемой продукции. Кованые и штампованные заготовки (поковки) отличаются высокими механическими свойствами, что обеспечивает надежность и долговечность выпускаемой продукции, поэтому наиболее ответственные, тяжело нагруженные детали машин изготавливают из заготовок, полученных ковкой или штамповкой.

Как указывалось ранее, все процессы обработки металлов давлением основаны на возможности материалов пластически деформироваться. Поэтому обработке давлением могут подвергаться, как правило, те металлы и сплавы, которые обладают необходимым запасом пластичности, обеспечивающим деформирование без нарушения сплошности материала, т. е. без его разрушения. Пластичность не является неизменным, наперед заданным свойством материала – на нее оказывает влияние ряд факторов: химический состав материала, температура и скорость деформации, форма очага деформации и т. п. Создавая соответствующие условия деформирования, можно получить требуемую технологическую пластичность.

В зависимости от температуры и скорости деформации различают холодную и горячую деформации.

Холодная деформация происходит при таких температурноскоростных условиях, когда в материале протекает только один процесс – упрочнение (или наклеп) металла. В этом случае образуется волокнистая структура, резко повышается прочность и снижается пластичность материала. При холодной деформации может возникнуть преимущественная ориентация кристаллографических осей зерен, образуется так называемая текстура, что является причиной повышения анизотропии механических свойств материала.

Различают два вида анизотропии:

1. начальную (или исходную), существующую до деформирования и объясняющуюся анизотропией свойств монокристаллических материалов; поликристаллические материалы (к ним относятся большинство металлов, подвергаемых обработке давлением) могут быть изотропными вследствие большого числа монокристаллических, хаотично расположенных зерен;
2. вторичную (или деформационную), изменяющуюся или заново возникающую в процессе деформации.

Анизотропия, возникающая в процессе деформации, может оказывать как полезное, так и вредное влияние на свойства материала. Анизотропия механических свойств листовых материалов способствует образованию «фестонов» при получении деталей глубокой вытяжкой, хрупкому разрушению рекристаллизованного тугоплавкого листового металла и другим видам дефектов. Однако механическая анизотропия может противодействовать хрупкому разрушению конструкций; направленность магнитных свойств материалов для трансформаторных сердечников, возникающая в результате прокатки трансформаторной стали, а также зависимость штампуемости листового материала от текстурного упрочнения свидетельствуют о полезном влиянии анизотропии.

Горячая деформация осуществляется при таких температурноскоростных условиях обработки, когда в материале протекают одновременно два процесса: наклеп и рекристаллизация (упрочнение и разупрочнение), причем скорость разупрочнения равна или выше скорости упрочнения. При горячей деформации улучшаются все механические свойства материала: и прочностные, и пластические, особенно повышается ударная вязкость. После горячей деформации, как правило, микроструктура равноосная, мелкозернистая, макроструктура волокнистая. Образование волокнистой макроструктуры при горячей деформации – полезное явление, особенно при изготовлении ответственных деталей (турбинных дисков, валов, роторов и т. п.). Используя определенные операции ковки (например, осадку, протяжку), можно получить макроструктуру, совпадающую с направлением максимальных напряжений в детали при ее эксплуатации.

Современное машиностроение в условиях развивающейся технической революции характеризуется быстрым ростом масштабов производства и производительности труда при все более строгой оптимизации применяемых конструктивных и технологических решений.

Оптимизация конструктивных и технологических решений, в свою очередь, дает толчок к созданию так называемого конструктивного и технологического множества, без чего невозможен выбор оптимальных решений в разнообразных условиях производства.

Поэтому насыщение производства большим числом новых и совершенствование существующих технологических процессов является характерным условием развития современного машиностроения. Особенно ярко это обстоятельство проявляется в области обработки металлов давлением, для которой в настоящее время насчитывается около 400 способов объемного формообразования.

Рассмотрим основные способы получения штучных заготовок.

2. Прокатка

Во многих случаях, когда требуются высокие прочность и пластичность, применяют заготовки из сортового и специального проката. В процессе прокатки нагретые до температуры деформирования литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего значительно повышается плотность материала за счет «залечивания» литейных дефектов – пористости, микротрещин и т. п. Это придает заготовкам из проката высокие прочность и герметичность даже при небольшой их толщине. При поперечно-винтовой прокатке в винтовых калибрах непрерывное формообразование осуществляется путем перемещения обрабатываемого тела между вращающимися валками, на поверхности которых по винтовой линии нарезаны ручьи (рис. 9). В результате этого длинная цилиндрическая заготовка, двигаясь непрерывно, деформируется на небольшом участке в относительно короткие тела вращения заданной конфигурации. Таким способом получают, в частности, шары.

Исходным материалом для изготовления мельничных шаров служат прутки круглого поперечного сечения из углеродистой стали диаметром на 1–3 мм меньше диаметра шара, а для получения заготовок шаров подшипников качения – прутки из стали ШХ15.

Передний конец предварительно нагретой заготовки толкателем подается в непрерывно вращающиеся валки. Высота винтовой реборды валков от начала калибра плавно увеличивается, вследствие чего заготовка, захваченная валками, продвигаясь вдоль оси калибра, постепенно обжимается, приобретая форму шара, соединенного перемычкой с остальной заготовкой. Затем шар отделяется

от заготовки и обкатывается в калибре. При этом поверхность шара проглаживается, а остаток перемычки закатывается и из валков выбрасывается полностью сформованный шар.

Рис. 9. Схема поперечно-винтовой прокатки

Прокатанные заготовки шаров имеют точную форму, а их диаметры изменяются в пределах 0,2–0,3 мм. Точные размеры, хорошее качество поверхности и малая глубина обезуглероженного слоя позволяют сократить припуск на шлифование шаров до 0,5–0,7 мм на сторону.

Прокаткой в винтовых калибрах можно получать не только шары, но и другие тела вращения, например втулки, иглы для игольчатых подшипников.

Прокатка цилиндрических изделий в винтовых калибрах находит применение и при получении заготовок, используемых в автоматических линиях, особенно для изделий из хрупких или очень пластичных материалов, когда традиционные способы резки мерных заготовок не могут обеспечить ровные торцы в заготовках.

Круглые изделия с переменным по длине диаметром применяются во многих отраслях машиностроения. К таким изделиям относятся полуоси, валы, шпиндели и т. п. Обычные способы изготовления заготовок этих деталей токарной обработкой или штамповкой вызывают большие потери металла (до 25–35 %) в стружку или на заусенцы и в то же время являются малопроизводительными. Наиболее целесообразным способом получения заготовок для таких деталей является поперечно-винтовая прокатка на трехвалковых станах. Этот способ состоит в том, что три приводных валка 1 (рис. 10) вращают заготовку 2, которая принудительно перемещается в осевом

направлении со значительным натяжением, создаваемым натяжным устройством через свободно вращающийся патрон 3, захватывающий передний конец заготовки.

Во время прокатки валки сближаются и разводятся на требуемый размер гидравлической следящей системой в соответствии с заданным профилем сменной копировальной линейки или путем числового программного управления по заранее заданной программе.

На трехвалковых станах можно получать прокат, имеющий любую форму, состоящую из соосно расположенных цилиндрических, конических, сферических или других поверхностей вращения. Трехвалковые станы имеют сравнительно малые установочные мощности, занимают меньше производственной площади, проще в эксплуатации и при ремонте.

Рис. 10. Схема стана для поперечно-винтовой прокатки профилей круглого сечения

По сравнению с другими способами получения аналогичных деталей поперечно-винтовая прокатка профилей переменного сечения имеет следующие преимущества:

• экономию металла до 15–30 %;
• возможность полной механизации и автоматизации процесса получения заготовок, начиная от загрузки заготовок в приемную часть нагревательного устройства до получения готового периодического проката;
• переход от одного профиля заготовки к другому без замены вал-

ков, только за счет смены копира или программы (это позволяет прокатывать широкий сортамент заготовок при малом парке инструмента);

• простоту в переналадке стана к выпуску нового типоразмера проката (это дает возможность использовать способ для получения заготовок в условиях мелкосерийного производства);
• низкую стоимость и малый расход инструмента при изготовлении

деталей по сравнению со штамповкой.

Примеры параметров сортаментов сталей и примеры их обозначения приведены в прил. 7.

3. Ковка

Ковка возникла еще в бронзовый век, когда вручную получали сначала изделия из меди, а затем из самородного метеоритного железа. С развитием металлургии бронзы и железа ковка получила широкое распространение. В настоящее время область применения ковки сокращается, но в ряде случаев ковка по-прежнему остается наиболее экономичным способом получения деформированных заготовок.

При ковке формоизменение происходит вследствие течения металла в стороны, перпендикулярные к движению деформирующего инструмента-бойка. Применяемый при ковке инструмент создает значительное сопротивление течению металла при деформировании, что и отличает ковку от других видов обработки давлением, причем это течение ограничено лишь трением на контактной поверхности инструмент – деформируемый металл.

Применение ковки для получения заготовок объясняется рядом ее преимуществ по сравнению с другими видами обработки:

1. возможность изготовления крупногабаритных поковок массой несколько сотен тонн, получение которых другими способами невозможно, причем при обработке таких поковок используется сравнительно маломощное оборудование, так как обработка ведется деформированием отдельных участков заготовки;
2. применение универсального оборудования и универсальной оснастки позволяет получать поковки широкого ассортимента;
3. в процессе ковки значительно улучшается качество металла, повышаются его механические свойства, особенно пластичность и ударная вязкость.

Основные недостатки ковки следующие: низкая производительность, значительная трудоемкость изготовления поковок, особенно на прессах; большие напуски, припуски и допускаемые отклонения размеров поковки, что приводит к увеличению объема механической обработки и расхода металла.

Ковка является рациональным и экономически выгодным процессом получения качественных заготовок с высокими механическими свойствами в условиях мелкосерийного и единичного производств. Ковкой изготавливают самые разнообразные поковки, масса которых находится в пределах от нескольких десятков граммов до сотен тонн. Наиболее ответственные детали, такие как валы и диски турбин, роторы, коленчатые валы судовых двигателей, барабаны котлов высокого давления и т. п., к которым предъявляются высокие требования по качеству металла и механическим свойствам, изготавливают из поковок.

Ковка осуществляется при температурах горячей деформации, поэтому для такого вида обработки применяют все стали и сплавы, используемые при обработке металлов давлением. Шероховатость поверхности поковок, полученных ковкой, не превышает Rz = 80–

320 мкм. При использовании подкладных штампов шероховатость

поверхности поковок может быть доведена до Rz = 80/40 мкм. Коэффициент весовой точности поковок не превышает 0,3–0,4, что вызывает большой объем механической обработки. Поэтому в условиях мелкосерийного производства целесообразно применять несложные подкладные штампы, групповую или секционную штамповку. Для снижения расхода металла при партиях более 30–50 поковок одного наименования рекомендуется применять подкладные открытые или закрытые штампы (рис. 11). В этом случае возможно получение без напусков поковок относительно сложной формы с припусками и допусками примерно на 15–20 % ниже, чем при ковке на универсальном инструменте. Подкладные штампы можно применять для получения поковок массой до 150 кг, но преимущественно подкладные штампы применяют для поковок массой до 10–15 кг.

Как видно из данных, приведенных на рис. 11, применение подкладного штампа позволило повысить коэффициент весовой точности и улучшить качество поковки за счет более рационального

распределения металла, уменьшить объем механической обработки и снизить стоимость получения готовой детали.

Рис. 11. Поковки, получаемые ковкой (а) и в подкладных штампах (б)

4. Горячая объемная штамповка

Этот способ наиболее распространен для получения качественных заготовок. Горячей объемной штамповкой получают заготовки для ответственных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, железнодорожных вагонов, самолетов, металлообрабатывающих станков, швейных машин и т. д. Более 65 % массы всех поковок и до 20 % массы деталей большинства машин изготавливаются из заготовок, полученных горячей объемной штамповкой. Этот способ штамповки наиболее эффективен при массовом, крупносерийном и серийном производствах деталей массой от нескольких граммов до нескольких тонн (примерно до 3 т). Наиболее целесообразно изготовление штамповкой поковок массой не более 50–100 кг.

По сравнению с ковкой горячая объемная штамповка имеет следующие преимущества:

• поковки, изготавливаемые штамповкой, имеют более сложную форму и лучшее качество поверхности; шероховатость поверхности Rz = 20–80 мкм, а при применении холодной калибровки Rz = 1,6–10 мкм;

• поковки можно получать со значительно меньшими допусками, чем при ковке, а при точной штамповке допуски можно довести

до долей миллиметра и подвести под классы точности, получаемые при обработке резанием; припуски снижаются в два-три раза (как правило, механической обработке подвергаются только сопрягаемые поверхности);

• значительно повышается производительность труда (десятки

и сотни поковок в час);

• за счет наличия в конструкции штамповочного оборудования выталкивателей штамповочные уклоны значительно меньше, чем при получении штамповок на молотах.

К недостаткам горячей объемной штамповки относятся:

• ограничения по массе получаемых поковок;
• дополнительный отход металла в заусенец, масса которого составляет от 10 до 30 % от массы поковки;
• для горячей объемной штамповки требуются бо́льшие усилия

деформирования, чем для ковки;

• инструмент (штамп) является более сложным и дорогим, чем универсальный инструмент (штамп) для ковки.

Горячая объемная штамповка подразделяется на различные виды в зависимости от типов штампа, оборудования исходной заготовки, способа установки заготовки в штампе и т. п. Остановимся только на факторах, которые определяют конфигурацию поковки и точность ее изготовления, т. е. на типах штампов и оборудования.

В зависимости от оборудования имеются следующие виды объемной штамповки: на штамповочных паровоздушных молотах двойного действия, кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП), горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), гидравлических прессах, высокоскоростных молотах и на специальных машинах (ковочные вальцы, горизонтально-гибочные машины – бульдозеры, ротационно-обжимные и радиально-обжимные машины, электровысадочные машины, раскатные машины).

Для изготовления одних и тех же деталей применяют различное оборудование, при этом можно значительно изменять конфигурацию поковки, размеры припуска и допуска, напуски и точность изготовления.

В зависимости от типа штампа штамповка подразделяется на следующие виды: в открытых штампах (рис. 12, а); в закрытых штампах (рис. 12, б); в штампах для выдавливания.

Перечисленные типы штампов применяют практически при штамповке на всех типах оборудования. Вид штампа определяет течение металла, т. е. конфигурацию поковки, поэтому данную классификацию штамповки можно считать основной.

Рис. 12. Схема открытой (а) и закрытой (б) штамповки

Штамповка в открытых штампах характеризуется тем, что штамп в процессе деформирования остается открытым (рис. 13, а). Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа является переменным, в него затекает (выдавливается) металл при деформировании, образуя заусенец, т. е. технологический припуск, размеры которого рассчитывают при проектировании технологии в зависимости от размеров поковки. Основное назначение этого заусенца

– компенсация колебаний исходных заготовок по массе. Этот тип штампа можно применять для деталей любой конфигурации. Однако наличие заусенца увеличивает расход металла, кроме того, для обрезки заусенца необходимо применение специальных обрезных прессов и штампов.

При штамповке в закрытых штампах штамп в процессе деформирования остается закрытым, т. е. металл деформируется в закрытом пространстве (рис. 13, б). Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа в процессе деформирования остается постоянным и незначительным по размеру – он только предохраняет штамп от

заклинивания. Отсутствие заусенца сокращает расход металла, отпадает необходимость в обрезных прессе и инструменте. Однако этот тип штампа применяется для сравнительно простых деталей, в основном тел вращения. Кроме того, отсутствие заусенца вызывает необходимость использовать точные заготовки из калиброванного проката или предварительно механически обработанные.

Рис. 13. Схема расположения волокон металла при открытой (а) и закрытой (б) штамповке

Рис. 14. Схемы штамповки выдавливанием: а – прямое; б – обратное; 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – поковка; 4 – выталкиватель

Сопоставляя качество макроструктуры поковок, отштампованных в открытых и закрытых штампах, необходимо отметить, что при закрытой штамповке макроструктура более качественная, так как процесс образования поковки в полости штампа протекает без на

рушения сплошности волокон, при обрезке заусенца после открытой штамповки волокна оказываются перерезанными, что снижает прочность детали.

Значения припусков и допусков на размеры поковок приведены в прил. 6.

5. Выдавливание

Штамповка в штампах для выдавливания – наиболее прогрессивный технологический процесс горячей штамповки. При использовании штампов для выдавливания значительно снижается расход металла (до 30 %), повышается коэффициент весовой точности, поковки получаются точные, максимально приближающиеся по форме и размерам к готовым деталям, производительность труда увеличивается в 1,5–2,0 раза.

Для выдавливания наиболее целесообразны следующие типы поковок: стержень с фланцем, клапаны двигателей, полые детали типа стаканов и т. п. Схемы штамповки в штампах для выдавливания приведены на рис. 14, где стрелками указано течение металла. Этим способом можно получать детали из углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов. Поковки, изготовленные выдавливанием, имеют высокое качество поверхности, плотную микроструктуру. Точность поковок может соответствовать 12-му квалитету точности. Это достигается в результате тщательной подготовки исходных заготовок под штамповку, а также высокой точности изготовления и наладки штампов использованием специальных смазок.

Основное преимущество процесса выдавливания перед штамповкой в открытых штампах – получение поковок с точными размерами и чистой поверхностью.

Основные недостатки – высокие удельные усилия деформирования, большие энергозатраты на реализацию процесса и низкая стойкость штамповой оснастки.

Выбор штампа – открытый, закрытый или для выдавливания определяется, во-первых, конфигурацией и сложностью детали, во-вторых, ее массой и материалом, в-третьих, характером производства. Следует учитывать также и существенные различия в макроструктуре материала поковок, полученных в различных штампах. Макроструктура материала детали определяет ее прочность и долговечность, поэтому указанное обстоятельство должно учитываться при выборе технологического процесса получения штампованной заготовки.

6. Рекомендации по проектированию чертежа поковки на процессы объемной штамповки

При разработке чертежа детали, получаемой горячей объемной штамповкой, необходимо учитывать реализацию всех возможностей этого процесса. Прежде всего это относится к качеству поверхности. Следует также принимать во внимание требования, предъявляемые особенностями процесса объемной штамповки, к геометрической форме и размерам детали. В некоторых случаях необходимо проверить возможность и рациональность изменения конструкции отдельных ее элементов (без ущерба для качества и эксплуатационных характеристик) для упрощения конфигурации поковки в целях облегчения заполнения полости ручья штампа.

Общие конструктивные требования к деталям, изготавливаемым горячей объемной штамповкой, следующие.

• • 1. Сопряжения необрабатываемых поверхностей должны быть оформлены радиусами, которые необходимы как для улучшения условий заполнения металлом полостей штампа (внутренние радиусы), так и для повышения стойкости штампов (наружные радиусы). Радиусы регламентированы ГОСТ 7505–74*.
    2. На необрабатываемых поверхностях, перпендикулярных к плоскости разъема штампа, следует предусматривать штамповочные уклоны, необходимые для свободного удаления поковки из полости штампа. Штамповочные уклоны зависят от типов штампа и оборудования и должны быть в пределах от 1 до 10°.
    3. При штамповке на прессах штамповочные уклоны уменьшаются, так как конструкция прессов позволяет применять специальные приспособления-выталкиватели, предназначенные для принудительного извлечения поковки из полости штампа. При штамповке

на горизонтально-ковочных машинах благодаря наличию подвижной разъемной матрицы штамповочные уклоны еще меньше.

Допускаемые отклонения размеров поковок на необрабатываемые поверхности назначают в соответствии с ГОСТ 7505–74*.

Рис. 15. Схема упрощения конструкции поковки: а – ликвирующих сплавов за счет разделения детали; б – за счет объединения двух деталей в одной поковке (S – толщина реза)

Для упрощения конструкции поковки, повышения и улучшения условий заполнения гравюры штампа в отдельных случаях целесообразно разделять деталь на две или большее число частей, штампуемых порознь, которые впоследствии соединяются сваркой или иным способом (рис. 15, а), в других случаях, наоборот, целесообразно объединение различных деталей в одну (рис. 15, б).

К важным технологическим требованиям, предъявляемым к конструкции штампуемых деталей, относится возможность правильного выбора плоскости разъема штампа. Деталь технологична для горячей объемной штамповки, если ее конструкция обеспечивает легкое из

влечение поковки из полости штампа без существенного упрощения формы детали за счет дополнительного металла – напуска. Влияние

положения плоскости разъема на форму поковок дано на рис. 16. Двойной штриховкой показаны объемы металла, необходимые для упрощения формы детали и обеспечения получения качественной поковки. При изменении плоскости разъема штампа необходимо оценивать объем заусенца, удаляемого после штамповки, и напуски, назначаемые для упрощения формы поковки.

Рис. 16. Влияние положения плоскости разъема на форму поковок

В некоторых случаях положение плоскости разъема определяется макроструктурой поковки. Например, при штамповке шестерен плоскость разъема штампа всегда должна быть перпендикулярна к оси детали. В этом случае макроструктура получается одинаковой у всех зубьев шестерни и обеспечивает их высокую прочность. На рис. 17 показан выбор положения разъема штампа по условиям работы детали.

Рис. 17. Схема к выбору плоскости разъема с учетом условий работы детали

Если деталь работает на срез по линии а-а, то волокна металла должны располагаться перпендикулярно к линии среза (положение плоскости разъема II-II). Положение плоскости разъема I-I в данном случае нежелательно.

При выборе плоскости разъема штампа необходимо учитывать условия захвата и базовые поверхности при механической обработке. При прочих равных условиях правильный разъем штампа должен обеспечивать зажим поковки по цилиндрической части и одинаковый припуск вдоль направления обработки резанием, т. е. напуски должны быть расположены по «черным» необрабатываемым поверхностям поковки.

Отступление от технологических требований, предъявляемых к конструкции штампованных деталей, неизбежно приведет к увеличению себестоимости заготовок из-за повышения затрат на материалы, механическую обработку и процента брака.

При разработке чертежа поковки пользуются ГОСТ 7505–74*, данные которого распространяются на штампуемые детали массой

до 400 кг, изготовляемые горячей объемной штамповкой из черных металлов на различных видах штамповочного оборудования.

Припуски на механическую обработку предусматривают в том случае, если качество поверхностного слоя поковки не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к готовой детали. Припуски назначают либо по всей поверхности детали, либо на отдельные ее элементы, допускаемые отклонения – на все размеры поковки, независимо от наличия и назначения припуска. Допускаемые отклонения на размеры штампованных поковок двусторонние, несимметричные и включают все отклонения от номинальных размеров поковки. Причины этих отклонений следующие: недоштамповка по высоте; износ и неполное заполнение гравюры штампа; поверхностные дефекты материала; колебания объема исходной заготовки; неравномерная усадка материала при охлаждении.

При определении припусков и допускаемых отклонений размеров необходимо определить массу поковки, категорию материала и группу сложности поковки.

Различают две категории материала: M1 – углеродистая и легированная сталь с содержанием углерода до 0,45 % и легирующих элементов до 2 %; М2 – легированная сталь, за исключением указанной в группе M1.

Группу сложности поковки определяют в зависимости от отношения объема поковки Vпок к объему фигуры в виде цилиндра или

прямоугольного параллелепипеда Vфиг, описанного вокруг поковки,

т. е. С = Vпок /Vфиг.

ГОСТ 7505–74* предусматривает четыре группы сложности поковок в зависимости от величины С: первая группа при 0,63  С  1,0; вторая – при 0,32  С < 0,63; третья – при 0,16  С << 0,32; четвертая

– при С < 0,16.

Чем выше группа сложности поковки, тем менее технологична деталь, больше потери металла при механической обработке, ниже точность поковки.

Все пересекающиеся поверхности поковки сопрягаются по радиусам, все острые кромки на поверхности поковок необходимо закруглять. Если радиусы закругления не назначены или приняты недостаточными, то в местах их расположения в штампе возникает большая концентрация напряжений, что приводит к быстрому разрушению штампа. Значения наружных радиусов устанавливают в пределах 1–8 мм в зависимости от массы поковок (до 200 кг). Практически достаточно, чтобы значения для этих радиусов были на 0,5–1 мм больше нормального припуска на механическую обработку поковки, независимо от того, к каким сопрягаемым поверхностям относятся эти радиусы – механически обрабатываемым или нет. Внутренние радиусы закруглений примерно в три раза больше соответствующих наружных радиусов.

Практика штамповки показала, что конструктивные элементы поковок из цветных сплавов отличаются от таких же элементов стальных поковок. Припуски и допускаемые отклонения размеров на поковки из цветных сплавов рекомендуется назначать по ОСТ или ведомственным нормалям, например по ОСТ 3-4026–78.

Штампованные поковки из алюминиевых и магниевых сплавов, подвергаемые очистке поверхности травлением, должны изготавливаться с той же точностью, что и поковки, не подвергающиеся механической обработке.

На поковки из титановых сплавов, поверхности которых не подлежат механической обработке, а поверхностный слой металла удаляется травлением, устанавливают дополнительный припуск 0,5 мм. Если же поверхности штампованных поковок подлежат механической обработке, то дополнительный припуск на травление не назначается.

На конфигурацию поковок, получаемых горячей объемной штамповкой, на их точность, объем последующей механической обработки и себестоимость большое влияние оказывает не только тип штампа, но и вид применяемого оборудования.

Разница в принципе воздействия этих машин на деформируемый материал является определяющей. Ударный характер работы штамповочного молота исключает возможность использования выталкивателей, что приводит к значительному расходу металла на штамповочные уклоны и на компенсацию возможного смещения половин штампа относительно друг друга. Производительность труда при штамповке на молотах невысокая, процесс трудно поддается комплексной автоматизации.

Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах имеет ряд технологических и эксплуатационных преимуществ по сравнению со штамповкой на молотах. К ним относятся:

• достаточно высокая точность поковок (особенно по высоте);
• при штамповке на молоте пределы допусков 0,8–1,0 мм, а при штамповке на КГШП – 0,2–0,5 мм;
• существенная экономия металла и сокращение объема механической обработки за счет снижения припусков (в среднем на 20– 30 %) и штамповочных уклонов (в два-три раза);
• форма поковки более близка к форме готовой детали (рис. 18);
• повышение производительности труда в среднем в 1,4 раза; возможность полной автоматизации процесса;
• КПД прессов в три раза выше, чем у молотов; снижение себестоимости изготовления поковок примерно на 10–30 %.

Штамповку на молотах в основном применяют при серийном и крупносерийном производствах поковок массой 0,01–1000 кг, штамповка на КГШП наиболее целесообразна при крупносерийном и массовом производствах деталей сложной формы массой до нескольких сот килограммов.

При оценке эффективности горячей объемной штамповки следует учитывать стоимость штамповой оснастки, так как значительная доля затрат падает на стоимость штампов (в зависимости от характера производства составляет 10–60 % стоимости поковок).

Рис. 18. Схема расположения припусков на механическую обработку при штамповке на молоте (а) и прессе (б)

Молотовые штампы изготовляют цельноблочными, массивными, что приводит к значительному расходу дорогостоящей, сложнолегированной стали; прессовые штампы требуют меньше материала, но сложнее в механической обработке. Затраты на штамповую ос

настку зависят от стойкости штампов: чем больше выпуск поковок и чем больше стойкость штампов, тем меньше затраты на штампы.

Особенность конструкции гидравлических прессов обеспечивает неударный характер работы, однако они значительно тихоходнее, дороже и менее производительны, чем штамповочные молоты. Поэтому гидравлические прессы вместо штамповочных молотов применяют только там, где не может быть использован молот: при штамповке крупных штамповок, для которых масса падающих частей самых мощных молотов оказывается недостаточной; малопластичных сплавов, не допускающих больших скоростей деформирования; при различных видах штамповки выдавливанием, где требуется большой ход рабочего инструмента; для штамповки поковок цилиндрической формы типа втулок, стаканов и очень сложных форм в разъемных матрицах. Применение разъемных матриц позволяет получать поковки, по форме и размерам приближающиеся к конфигурации готовых деталей, без заусенца и штамповочных уклонов. Точность размеров таких поковок может достигать 11–12-го квалитетов. Коэффициент использования металла увеличивается с 0,2 до 0,6, трудоемкость механической обработки уменьшается на 15–20 %.

Фрикционные винтовые прессы по принципу воздействия на деформируемый металл занимают промежуточное положение между прессом и молотом; их применяют для мелких и средних поковок типа колпачков и стаканчиков, типа стержня с утолщением, например винты и болты, а также для штамповки сложных поковок, требующих разъемных матриц, в частности корпусов вентилей, тройников деталей трубопроводов.

На фрикционных прессах штампуют поковки из черных и цветных металлов, преимущественно малопластичных, медных и магниевых сплавов. Винтовые фрикционные прессы – тихоходные малопроизводительные машины, поэтому их применение ограничено при крупносерийном производстве.

Кривошипные горячештамповочные и винтовые прессы применяют для получения точных поковок шестерен с готовым профилем зуба. Освоены и внедрены в производство технологические процессы штамповки шестерен с прямым и спиральным профилем зуба, с модулем 5 мм и выше. Штамповка конических и цилиндрических

шестерен с готовым профилем зуба имеет место в следующих случаях: для получения готовых шестерен без последующей механической обработки по зубу с параметром шероховатости поверхности Rz = 4–20 мкм, применяемых в сельхозмашиностроении, угольной промышленности и т. д., шестерен с готовым профилем зуба, требующих только чистовой обработки. Припуск по профилю зуба принимают равным 0,6 мм на сторону, а по наружному конусу или диаметру цилиндрической шестерни – 1,5 мм на сторону.

Штампованные шестерни с готовым профилем зуба имеют ряд преимуществ перед шестернями, изготавливаемыми механической обработкой:

1. статическая прочность таких шестерен в среднем на 50 % выше обычных, так как у штампованных зубьев волокна металла расположены вдоль контура зуба, а у фрезерованных зубьев они перерезаны; это увеличение прочности зубьев позволяет снизить массу и удешевить стоимость машины путем снижения габаритов или замены легированных сталей обычными конструкционными;
2. значительно снижаются расход металла (в среднем на 25– 45 %) и общая трудоемкость изготовления шестерен.

Широкое применение для горячей объемной штамповки, особенно для операций высадки, получили горизонтально-ковочные машины (ГКМ), представляющие собой механический пресс, расположенный в горизонтальной плоскости. Кроме главного деформирующего ползуна имеется ползун, движение которого перпендикулярно движению главного ползуна, осуществляющего смыкание и размыкание блока матриц. В отличие от штампов молотовых и прессовых штампы для ГКМ имеют два взаимоперпендикулярных разъема и могут быть открытыми и закрытыми. Наличие двух разъемов в штампе создает лучшие условия для выполнения высадочных работ и позволяет получать поковки, как правило, без штамповочных уклонов. Поковки, получаемые на горизонтально-ковочных машинах, обычно имеют форму тел вращения. Типичные образцы поковок, штампуемых на ГКМ, приведены на рис. 19. Данные машины позволяют производить высадку конусов на длинных (до 3 м и более) прутковых и трубных заготовках; получать изделия типа стержня или трубы с головкой значительного объема путем после

довательной высадки с последующим набором металла головки (рис. 20); штамповать осадкой в торец изделия сложной формы, для изготовления которых необходимо применение разъемных матриц; получать поковки с отверстиями из прутковой заготовки без отходов металла на просечку отверстия.

Рис. 19. Типы поковок, штампуемых на ГКМ

Припуски и допускаемые отклонения размеров поковок, штампуемых на ГКМ, определяют по ГОСТ 7505–74* с учетом тех же факторов, что и при штамповке на молотах или прессах. Поскольку ГКМ обладают меньшей жесткостью, чем кривошипные горячештамповочные прессы, поковки, изготавливаемые на них, по размеру припусков и допусков ближе к молотовым, чем к прессовым.

Рис. 20. Схема многоручьевой высадки стержневой детали на ГКМ (I–IV – последовательность операций)

Штамповочные уклоны на участках поковки, формуемых в полости пуансона: наружные – 15’–1°, внутренние – 30’–2°. Для участков, формуемых в матрице, наружные уклоны не предусматриваются, а внутренние составляют 1–5°.

Наружные радиусы закруглений принимают равными размеру припуска на механическую обработку, внутренние – в 1,5–2 раза большими.

При сопоставлении штамповки на горизонтально-ковочных машинах со штамповкой на молотах и прессах необходимо учитывать, что номенклатура поковок для этих машин резко ограничена, масса их сравнительно небольшая (обычно 30–50 кг), стойкость штампов ниже, чем у молотов и прессов, стоимость горизонтально-ковочных машин примерно в 1,5 раза выше стоимости кривошипных прессов той же мощности. Однако достигаемая экономия металла, возможность получения более сложных и точных поковок, исключение предварительной операции резки прутков на штучные заготовки делают этот способ экономически целесообразным (рис. 21).

Рис. 21. Формы поковок при штамповке на ГКМ (а), молоте (б) и прессе (в); 1 – деталь; 2 – припуск на механическую обработку

Все возрастающие требования к экономии материалов, к разработке таких технологических процессов получения заготовок, когда механическую обработку применяют только как доводочную операцию, вызвали появление процессов точной или малоотходной горячей объемной штамповки. Точная горячая объемная штамповка относится к прогрессивным технологическим процессам, обеспечивающим экономию металла, сокращение трудоемкости при механической обработке, повышение качества и надежности деталей. Для более широкого внедрения точной штамповки уже на стадии разра

ботки изделий конструкторы должны стремиться к тому, чтобы при проектировании деталей предусмотреть больше необрабатываемых поверхностей, даже если при этом несколько повысится стоимость поковок. При точной штамповке размерная точность для стальных поковок может достигать 12–14-го квалитетов, параметр шероховатости поверхности Rz = 20–40 мкм, штамповочные уклоны до 1°.

При наличии необрабатываемых поверхностей наиболее полнореализуется преимущество штампованных деталей с их благоприятно ориентированной для условий эксплуатации макроструктурой, плавно огибающей контуры детали и исключающей надрезы, неизбежные при механической обработке.

Использование машин узкого назначения вместо универсальных при производстве заготовок позволяет во многих случаях значительно снизить трудоемкость, сократить сроки изготовления и улучшить качество деталей. Ниже в общих чертах рассмотрим специализированные процессы, нашедшие за последнее время наибольшее распространение в кузнечно-штамповочном производстве.

Штамповку на горизонтально-гибочных машинах применяют для получения заготовок из сортового или полосового материала больших габаритов. Она может осуществляться как в горячем, так и в холодном состоянии. Как правило, изделия, получаемые гибкой, не подвергаются механической обработке, поэтому при конструировании деталей в чертеже следует предусмотреть все необходимые требования для обеспечения точности формы и размеров детали:

• по возможности избегать гибки на ребро;
• обеспечивать внутренние радиусы изгиба максимально возможными;
• незначительные отклонения размеров в результате искажения проката в местах изгиба не учитывать и в чертеже не указывать.

Горизонтально-гибочные машины позволяют осуществлять гибку П-образных (рис. 22, а), дугообразных (рис. 22, б) и круглых (рис. 22, в) деталей.

 

Рис. 22. Схемы гибки на бульдозерах и получаемые профили

7. Вальцовка

Вальцовка представляет собой разновидность процесса прокатки, когда деформирование штучной заготовки производится в секторных штампах ковочных вальцов. Ковочные вальцы относительно просты по конструкции и в эксплуатации, высокопроизводительны. Из мерных заготовок круглого, квадратного или прямоугольного поперечного сечения вальцовкой изготавливают фасонные заготовки удлиненной формы, переменного сечения и, как правило, с прямолинейной осью. Вальцовку применяют для изготовления заготовок под дальнейшую штамповку на прессах или молотах, а также для получения готовых поковок и как отделочную операцию.

Вальцовкой в массовом и крупносерийном производствах изготавливают мелкие и средние поковки переменного сечения и различной формы (например, гаечные ключи, плоскогубцы, звенья транспортеров и т. п.). Поковки получают в «ленте» по несколько штук, расположенных в длину и соединенных между собой заусенцем. Параметр шероховатости поверхности таких поковок Rz = 40–320 мкм,

производительность процесса оценивают тысячами штук в смену.

Отделочную вальцовку применяют для получения профильных заготовок, например турбинных лопаток с припуском на рабочую поверхность до 0,2–0,15 мм, параметром шероховатости поверхности до Rz = 6,3–3,2 мкм. Обычно такую вальцовку проводят в холодном состоянии, причем получаемые заготовки имеют окончательные размеры по толщине и профилю. Отделочная вальцовка

дает значительный эффект: снижаются расход металла в среднем на 35 %, трудоемкость на 20 %, себестоимость на 35 %.

Рис. 23. Схема вальцовки: а–в – стадии вальцовки; 1 – подающий схват; 2, 3 – секторные штампы

8. Штамповка на радиально-обжимных и ротационно-ковочных машинах

Штамповку на радиально-обжимных и ротационно-ковочных машинах осуществляют как в горячем, так и в холодном состоянии, обрабатывая осесимметричные детали с вытянутой осью.

Ротационное деформирование как метод точной обработки изделий получило применение в производстве сравнительно недавно, чему способствовало появление специализированных радиальнообжимных и ротационно-ковочных машин с программным управлением. Изделия, изготовляемые на этом оборудовании, имеют широкий диапазон размеров диаметра: от 0,15 мм (для прутка) до 600 мм (для трубной заготовки). Эскизы деталей, получаемых ротационным деформированием, приведены на рис. 24.

На радиально-обжимных и ротационно-ковочных машинах можно изготавливать ступенчатые и удлиненные поковки и изделия из жаропрочных и малопластичных сталей и сплавов, сплавов на основе алюминия, а также из металлокерамики и металлопорошков; получать отверстия малых диаметров на относительно большой длине; производить сборочные операции.

Точность и шероховатость поверхности поковок зависят от качества изготовления и геометрии инструмента, режимов обработки. При удовлетворительном сочетании всех факторов можно получить параметры шероховатости поверхности: Rz = 0,4–1,6 мкм при холодной и Rz = 2–6,3 мкм при горячей обработке. В этих случаях обжатие позволяет одновременно заменить точение и шлифование. Точность обработки при холодном обжатии соответствует 6–8-му, при горячем – 11–13-му квалитетам.

Рис. 24. Эскизы деталей, получаемых ротационным деформированием

В процессе ротационного обжатия улучшается структура металла, повышаются его механические свойства. Повышение прочности изделий после обжатия предопределяет применение этого вида обработки в тех случаях, когда затруднено выполнение термической обработки.

Сущность процесса состоит в следующем: прутковая заготовка подвергается обжатию бойками, движущимися навстречу друг другу, движение бойков у разных конструкций машин осуществляется по-разному; число бойков также может быть различным: два, три, четыре (рис. 25). Число обжатий у различных машин колеблется от нескольких сот до нескольких тысяч в минуту.

Основным преимуществом данного вида обработки является получение поковок высокой точности с высокой чистотой поверхности. Дальнейшая механическая обработка, за исключением шлифования (в целях достижения необходимой точности) и последующих доводочных операций, является в большинстве случаев излишней.

Прочность изделий увеличивается примерно на 30 %. Процесс позволяет значительно экономить металл. Так, при переводе изделий типа ступенчатых валов со штамповки или механической обработки на горячее обжатие экономия металла достигает 40–60 %. Производительность (по сравнению с токарной обработкой) возрастает в четыре-пять раз. Поэтому перевод изделий с обработки резанием на ротационное обжатие во всех типах производства, кроме единичного, всегда является экономически целесообразным.

Рис. 25. Схемы ковки на ротационно-ковочной (а) и ротационно-обжимной (б) машинах: 1 – бойки; 2 – поковка; Е – ход бойков

9. Раскатка и накатка

Процесс раскатки кольцевых заготовок получил значительное распространение в промышленности для получения заготовок колец сложного профиля, с поднутрениями, буртами, выточками и т. д.

Раскатка не является самостоятельным процессом обработки металлов давлением, так как исходные заготовки для раскатки обычно получают штамповкой, ковкой, литьем или из труб. Раскатку осуществляют как в горячем, так и в холодном состоянии. В соответствии с габаритными размерами применяемого оборудования раскатке подвергают заготовки с наружным диаметром от 40 до 2000 мм при высоте обрабатываемого обода до 180 мм. На рис. 26 показаны схемы раскатки кольцевых заготовок, на рис. 27 – типы колец, получаемых раскаткой. Допуск на наружный диаметр кольца принимают +0,01d, на внутренний диаметр – 0,022d, но не более 6 мм. Параметр шероховатости поверхности Rz = 10–3,2 мкм. Основные преимущества процесса раскатки следующие: возможность получить более сложный профиль и более точные размеры, чем при штамповке; обеспечить в заготовке тангенциальное расположение волокон металла, что значительно увеличивает надежность изделий; обеспечить значительную экономию металла, повышение коэффициента весовой точности до 0,7–0,75, сравнительно высокую производительность процесса (250 шт./ч крупных и 500 шт./ч мелких поковок), снижение трудоемкости механической обработки на 20–30 %.

Рис. 26. Схемы раскатки: 1 и 2 – соответственно опорный и обжимной ролики; 3 – раскатываемое кольцо; 4 и 5 – ограничительные ролики

Рис. 27. Типы колец, получаемых раскаткой

Недостаточная производительность (в ряде случаев и точность) шлицефрезерования обусловила возникновение новых методов об

разования шлицев, в частности пластическим деформированием накаткой, т. е. превращением гладкой поверхности заготовки в ребристую определенного профиля. Этот процесс комбинированный, заготовки под накатку получают либо штамповкой, либо ковкой, в некоторых случаях заготовкой может служить пруток.

Диаметр заготовки под накатку определяют опытным путем. Основным оборудованием являются специальные станы, действующие по принципу поперечной прокатки, с принудительным вращением заготовки и пары накатных валков (рис. 28). Такой способ накатки в основном используют для горячей накатки зубьев колес, шлицев на валах и крупной резьбы. Мелкую резьбу накатывают в механических цехах плоскими плашками или роликами на резьбонакатных станках.

Штучная накатка зубчатых колес универсальна и при использовании соответствующей оснастки позволяет изготовлять цилиндрические и конические колеса с зубьями прямыми и спиральными.

Рис. 28. Схемы накатки: а – штучных заготовок; б – от прутка; 1 – деформирующий инструмент; 2 – заготовка

Цилиндрические зубчатые колеса диаметром менее 150 мм при модуле не более 3 мм рациональнее обрабатывать стопками. На таком же принципе основано изготовление зубьев шестерен непосредственно от прутка. Зубья наносятся накаткой на поверхность прутка, который в дальнейшем режется на мерные заготовки по высоте; механической обработкой изготавливают отверстия. Накаткой можно получать зубья модулем 8–15 мм на колесах диаметром до 600 мм. Особенно выгодно получать зубья накаткой для крупномодульных шестерен, когда достигают значительной экономии металла.

Предварительная механическая обработка перед накаткой заключается в обработке посадочного отверстия, торцов и наружного диаметра, что позволяет получить профиль накатанного зуба по всем размерам с точностью по 8-му квалитету с параметром шероховатости поверхности Rz = 0,8–6,3 мкм. На полученных накаткой зубьях, окончательные размеры которых должны соответствовать 6-му квалитету, предусматривают припуск (на последующее шлифование или шевингование) по 0,2–0,25 мм на сторону.

Применение пластического деформирования (накатки) вместо механической обработки дает значительное снижение трудоемкости изготовления зубчатых колес, так как производительность накатки выше зубонарезания в 40–50 раз. Например, использование одного стана даст возможность заменить примерно 80 единиц зуборезного оборудования и высвободить до 70 станочников.

Благоприятное расположение волокон после накатки повышает механические характеристики зубчатых колес, в частности, их износоустойчивость увеличивается на 50–70 %.

Стоимость колес с накатанными зубьями получается ниже стоимости фрезерованных примерно на 15–20 %. При этом можно рассчитывать, что освоение накатки заготовок без предварительной обработки снизит трудоемкость их изготовления на 40–45 %, а тем самым и стоимость зубчатых колес, и расширит область применения этого способа.

10. Калибровка

Калибровка относится к отделочным операциям обработки металлов давлением (рис. 29). Цель калибровки – повышение точности размеров всей поковки или отдельных ее участков. При калибровке достигают улучшения поверхности и снижения колебаний массы поковки. Калибровку целесообразно применять в крупносерийном и массовом производствах для снижения, а в некоторых случаях и для полного устранения механической обработки. Точность и чистота поверхностей поковок, подвергаемых калибровке, не ниже, чем фрезерованных, а иногда и шлифованных деталей. Кроме того, после калибровки возможно повышение механических свойств и стойкости деталей при эксплуатации за счет наклепа.

По технологическим признакам калибровку можно разделить на плоскостную, объемную и комбинированную.

Плоскостная калибровка (чеканка) служит для получения точных вертикальных размеров на одном или нескольких участках поковки, ограниченных горизонтальными плоскостями (рис. 29, а). Плоскостная калибровка производится в холодном состоянии на специальных чеканочных кривошипно-коленных прессах.

Для получения положительных результатов калибруемые поковки должны удовлетворять следующим требованиям: под калибровку должен быть предусмотрен припуск; для низких поковок (до 10 мм) номинальный припуск на размер рекомендуют 0,3–0,6 мм в зависимости от диаметра или ширины обжимаемого участка; с увеличением толщины поковки припуск увеличивается примерно до 0,5–1,0 мм.

Допуски на размеры поковок под калибровку рекомендуют от

+(0,3 + 0,4) до +(0,8 + 1,0) мм соответственно приведенным ранее предельным значениям номинальных припусков. Припуски и допуски для плоскостной чеканки предусмотрены ГОСТ 7505–74*: точность поковок после штамповки должна быть повышенной; горизонтальные размеры поковок, подлежащих калибровке, следует назначать меньше номинальных, чтобы компенсировать их увеличение после калибровки.

По точности получаемых размеров поковок после калибровки различают грубую калибровку с допуском ±(0,1 + 0,25) мм, повышенной точности с допуском ±(0,05 + 0,1) мм и после двукратной калибровки – высокую точность с допуском ±0,025 мм. Параметр шероховатости поверхности после калибровки достигает Rz = 1,6– 6,3 мкм, т. е. он такой же, как при шлифовании.

Объемная калибровка служит для уточнения размеров поковки в разных направлениях. Точность объемной калибровки ниже, чем плоскостной.

Рис. 29. Схемы калибровки: а – плоскостная; б – объемная; 1 – поковка; 2, 3 – элементы штампа

Можно обрабатывать поковки как в холодном, так и в горячем состоянии (рис. 29, б).

Комбинированная калибровка является сочетанием операций объемной и плоскостной. В начале обработки в результате объемной калибровки поверхности поковок становятся гладкими, далее отдельные плоские элементы поковок подвергают плоскостной чеканке для получения точных размеров между соответствующими плоскостями.

Следует отметить, что при применении таких операций, как калибровка, раскатка, накатка зубьев, отделочная вальцовка, можно всегда значительно снизить объем механической обработки, уменьшить себестоимость продукции, повысить производительность труда и качество получаемой продукции.

11. Листовая штамповка

Это один из видов холодной обработки металлов давлением, при котором листовой материал деформируется в холодном или подогретом состоянии.

Листовой штамповкой изготовляют мелкие детали часов и приборов; детали средних размеров, металлическую посуду, металлические консервные банки, части велосипедов и мотоциклов, различные заглушки, крышки, кронштейны, диски; крупные облицовочные детали автомобилей, автобусов, тракторов – кузова, крылья, двери, крыши, детали корпусов самолетов и вагонов и, наконец, очень крупные и тяжелые толстолистовые детали – днища паровых котлов и резервуаров, детали корпусов морских судов и т. д.

Сваривая листовые штампованные детали, создают сложные и ответственные части машин, например штампосварные станины прессов и металлорежущих станков, сложные штампосварные кузова автомобилей, части аппаратов химического производства, речных и морских судов.

Основные преимущества листовой штамповки:

• возможность изготовления прочных, легких и жестких тонкостенных деталей или изделий простой и сложной формы, получить которые другими способами невозможно или затруднительно;
• высокая производительность и экономное расходование металла;
• широкие возможности автоматизации и роботизации производственных процессов;
• взаимозаменяемость деталей и высокая чистота поверхности.

По сравнению с горячей штамповкой холодная листовая штамповка имеет следующие преимущества: нет операции нагрева металла, поверхностный слой металла не окисляется, изделия получаются более точными по размерам и с меньшей шероховатостью поверхности.

По сравнению с обработкой резанием холодная штамповка позволяет сократить расход материала, так как материал не отделяется в стружку, снизить трудоемкость изготовления деталей и повысить производительность труда. Одновременно холодная обработка давлением обеспечивает упрочнение обрабатываемого материала, что позволяет делать детали более легкими. Эти же преимущества позволяют заменять литые детали штампованными. Кроме того, преимущество холодной штамповки по сравнению с литьем заключается в том, что холодноштампованные изделия почти не требуют механической обработки.

Операции листовой штамповки подразделяют на разделительные, когда одна часть металла отделяется от другой; формоизменяющие, при которых без разрушения заготовок изменяется их форма; комбинированные (сочетаются разделительные и формоизменяющие переходы обработки); штампосборочные, при которых механически соединяют отдельные листовые штампованные детали.

Для изготовления деталей листовой штамповкой применяют разнообразные металлические и неметаллические материалы. Металл для листовой штамповки выпускают в виде лент, полос и листов, сортамент которых указан в соответствующих стандартах, например ГОСТ 82–70 «Сталь прокатная широкополосная универсальная». При выборе материала для листовой штамповки необходимо учитывать эксплуатационные свойства получаемых деталей и способность материала к обработке давлением.

Из углеродистой стали обыкновенного качества штампуют детали, несущие малые нагрузки, бытовые изделия. Из качественной углеродистой стали изготовляют детали с повышенными требованиями к прочности и качеству поверхности. Во многих отраслях машиностроительной промышленности широкое применение находит качественная конструкционная сталь марок 05кп, 08кп, Юкп, 15кп и др. Эта сталь отличается высокими пластическими свойствами и хорошей свариваемостью.

Горячекатаную листовую сталь общего назначения, поставляемую со слоем окалины, штампуют относительно редко, так как окалина, покрывающая листы, является причиной быстрого изнашивания пуансонов и матриц. Используется эта сталь при изготовлении грубых строительных конструкций, товарных вагонов, некоторых сельскохозяйственных машин и т. д.

Декапированная тонколистовая сталь толщиной 0,25–3,0 мм имеет хорошую штампуемость. Из нее изготовляют посуду, бытовые изделия, а также детали, не несущие значительных нагрузок и не предназначенные для полирования, хромирования, никелирования.

По точности толщины листа сталь подразделяется на три группы: А – высокая точность, Б – повышенная точность, В – обычная точность.

По способности к вытяжке в холодном состоянии различают листы трех групп вытяжки: ВГ – для весьма глубокой, Г – для глубокой, Н – для нормальной.

Низкоуглеродистая холоднокатаная стальная лента может быть особо мягкой (ОМ), мягкой (М), полумягкой (ПМ), пониженной твердости (ПТ) и твердой (Т); по точности изготовления – Н (нормальной точности), ВШ (повышенной точности по ширине и толщине).

Черную отожженную полированную жесть изготовляют толщиной 0,18–0,55 мм, а белую жесть – 0,21–0,55 мм. Из черной жести штампуют тонкостенные детали бытовых изделий, подвергающиеся затем окраске. Из белой жести изготовляют консервные банки, тару для упаковки, пищевых продуктов, некоторые тонкостенные детали, поверхности которых должны быть защищены от коррозии.

Оцинкованную сталь, выпускаемую толщиной 0,88–1,5 мм, применяют для штамповки изделий различного назначения.

Ответственные детали штампуют из легированных конструкционных сталей, таких как 10Г2А, 12Г2А, 20ХГСА, 25ХГСА и др. Эти стали обладают хорошей способностью к штамповке в отожженном состоянии и хорошо свариваются.

Детали с повышенной коррозионной стойкостью штампуют из коррозионно-стойких сталей (например, марок 12Х18Н9, 10X13 и др.).

Помимо указанных в листовой штамповке используются стали специального назначения, например электротехнические, пружинные.

По качеству материала листовая и полосовая сталь разделяется на сорта, изготовляемые из сталей различных марок:

• листовая углеродистая сталь – из марок стали обыкновенного качества по ГОСТ 380–71*;

• листовая углеродистая качественная сталь – из марок качественной стали по ГОСТ 1050–74**;
• листовая низколегированная сталь – из марок стали по ГОСТ 19282–73;
• листовая легированная конструкционная сталь – из марок легированной стали по ГОСТ 1542–71*;
• листовые высоколегированные стали и сплавы (коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные) по ГОСТ 5632–72*.

В автомобильной, химической и пищевой промышленности вместо коррозионно-стойких и жаростойких сталей используют холоднокатаную стальную полосу (08кп), диффузионно-хромированную

в вакууме. Сталь обладает хорошими пластическими свойствами и повышенной стойкостью во многих реактивных средах при повышенной температуре. Стальные полосы с полимерным покрытием (металлопласт) применяют в химической, автомобильной, пищевой, радиотехнической, авиационной промышленности. Металлопласт обладает стойкостью против коррозии, износоустойчивостью, хорошими электроизоляционными и звукоизоляционными свойствами.

Из цветных металлов, применяемых для листовой штамповки, наибольшее распространение получили алюминий, медь, никель, магний, титан и их сплавы.

Алюминий и его сплавы находят широкое применение в самолетостроении, автомобильной промышленности, при изготовлении различных деталей приборов, бытовых изделий и т. д. Распространены следующие марки алюминия: А1-А3, АД, АД1 и Д1, Д6, Д16.

Из медных листов и лент марок M1–М3 штампуют в основном детали электротехнической аппаратуры. Латуни находят применение при штамповке деталей часов, радиодеталей, посуды и т. д. Штампуют главным образом латуни марок Л62, Л68, J170. Из других сплавов меди для штамповки применяют бронзы.

Никель марок h2–Н3 и его сплавы – мельхиор и нейзильбер

– используют для изготовления химической посуды, приборов, деталей часов, ювелирных изделий.

Сплавы магния МА1 и МА8 с повышенной коррозионной стойкостью применяют для штамповки самых разнообразных изделий: деталей мотоциклов, велосипедов, прицепов и других средств передвижения, электротехнического и электронного оборудования и т. д. Титан все шире используют в штамповочном производстве для изготовления ответственных деталей в авиационной промышленности и в ряде других отраслей (главным образом сплавы титана марок ВТ-1, ВТ1-00, ВТ5, ВТ6, ОТ4).

Из неметаллических материалов штамповкой получают прокладочные детали, изоляционные и декоративные. Наибольшее применение находят следующие неметаллические материалы: пластмассы (гетинакс, текстолит, органическое стекло, винипласт, целлулоид и др.), резина, материалы на основе бумаги (картон, фибра), материалы минерального происхождения (слюда, миканиты).

Из других неметаллических материалов штампуют также фетр, кожу, войлок, прессшпан.

Основным требованием, предъявляемым к материалам, применяемым при изготовлении деталей листовой штамповкой, является их пригодность к штамповке и последующей эксплуатации. Выявление этой пригодности материала к той или иной штамповочной операции весьма сложно и требует проведения ряда испытаний.

Технологические процессы листовой штамповки могут быть рациональными лишь при условии создания технологичной конструкции или формы детали, допускающей наиболее простое и экономичное изготовление. Поэтому технологичность листовых штампованных деталей представляется важной предпосылкой прогрессивности технологических процессов и экономичности производства.

Основные показатели технологичности листовых холодноштампованных деталей – наименьший расход материала, минимальное число и низкая трудоемкость операций, отсутствие последующей механической обработки, наименьшее количество требуемого оборудования и производственных помещений, минимальное число оснастки при сокращении затрат и сроков подготовки производства, увеличение производительности отдельных операций и цеха в целом. Общий результативный показатель технологичности – наименьшая себестоимость штампуемых деталей.

При конструировании деталей, предназначенных для изготовления их способами листовой штамповки, необходимо учитывать технологические требования к конструкции листовых штампованных деталей; основные из них следующие:

1. механические свойства листового материала должны соответствовать не только требованиям прочности и жесткости изделия, но также процессу формоизменения и характеру пластических деформаций; применять для формоизменяющих операций более пластичный, хотя и менее прочный материал, так как в процессе холодной штамповки происходит его упрочнение, значительно увеличивающее характеристики прочности материала;
2. создавать легкие и облегченные конструкции деталей, применяя для увеличения жесткости штамповку ребер жесткости, отбортовку, загибку, закатку кромок и т. д., а также замену тяжелых

стандартных прокатных профилей более легкими – гнутыми из листового металла;

1. конфигурация детали или ее развертки должна обеспечивать наивыгоднейшее использование листового металла – применение малоотходного или безотходного раскроя. Если отход неизбежен, то желательно придать ему конфигурацию, соответствующую другой детали, или использовать его вторично;
2. широко применять технологичные штампосварные конструкции взамен литых, кованых или клепаных;
3. использовать штамповочные методы для сборки отдельных деталей путем расклепки, отбортовки, полой высадки, загибки кромок и лапок, закатки шва и т. п.

Кроме указанных общих требований к конструкции штампованных деталей существуют специфичные требования, присущие отдельным операциям листовой штамповки.

Основные технологические требования к конструкции плоских деталей, получаемых вырубкой или пробивкой:

1. избегать сложных конфигураций с узкими и длинными вырезами контура или очень узкими прорезями (b > 2S, где b – ширина прорези; S – толщина листовой заготовки);
2. выполнять сопряжения сторон наружного контура с закруглениями лишь при вырубке детали по всему контуру; для возможности применения безотходного раскроя следует, наоборот, допускать сопряжения сторон под прямым углом;
3. избегать вырубки длинных и узких деталей постоянной ширины при b > 3S, заменяя вырубку расплющиванием проволочной заготовки;
4. не следует располагать отверстия в заготовке, подлежащей гибке, близко к радиусу закругления детали; наименьшее расстояние от края отверстия до загнутой полки «а» должно составлять а  r + 2S, где r – радиус изгиба;
5. в вытянутых деталях, имеющих отверстия в дне или фланце, пробиваемые после вытяжки, расстояние от стенки детали до края отверстия С  r + 0,5S, где r – радиус закругления дна или фланца;
6. наименьшее расстояние между отверстиями при одновременной их пробивке L = (2f3)S.

При проектировании гнутых деталей необходимо учитывать технологические требования к конструкции изогнутых листовых деталей:

1. минимально допустимые радиусы изгиба следует применять лишь при конструктивной необходимости; в большинстве случаев можно применить увеличенные радиусы гибки: r  S (для толстых заготовок еще бо́льшие);
2. в случае гибки пластичных металлов (стали 10, 20) с малым радиусом закругления линию изгиба желательно располагать поперек волокон проката;
3. при гибке твердых малопластичных материалов (бронза, сильно наклепанная латунь, лента пружинной стали и др.) линию изгиба следует располагать обязательно поперек волокон проката; наименьший радиус изгиба берется в пределах 2S–4S;
4. для увеличения жесткости гнутых деталей и устранения упругого пружинения рекомендуется штамповка ребер жесткости поперек угла изгиба;
5. наименьшая высота отгибаемой полки h  3S;
6. в случае многооперационной гибки необходимо предусматривать технологические базы для фиксирования заготовок на операциях.

При проектировании деталей, получаемых вытяжкой или формовкой, следует учитывать следующие технологические требования:

1. избегать весьма сложных и несимметричных форм вытягиваемых деталей, использовать их лишь в случае явной конструктивной необходимости;
2. радиусы закруглений фланца должны быть больше, чем радиусы закруглений у дна; сопряжение стенок с дном без радиуса закругления может быть выполнено путем дополнительной калибровки или при штамповке весьма толстых заготовок;
3. избегать глубоких вытяжек с широким фланцем, требующих большого числа операций;
4. полуоткрытые несимметричные формы полых деталей нужно проектировать, учитывая возможность спаренной вытяжки с последующей разрезкой на две детали;
5. в прямоугольных коробках избегать острых углов в плане и у дна детали, кроме случаев изготовления коробок методом холодного выдавливания;
6. при вытяжке полых деталей сложной конфигурации предусматривать те или иные технологические базы для фиксирования заготовок на операциях.

Анализ технологичности деталей проводится обязательно с учетом конкретных производственных условий и масштаба производства. При массовом производстве штампуемых деталей основными показателями при оценке технологичности являются расход материала и трудоемкость изготовления. Действительно, при изготовлении деталей сотнями тысяч или миллионами единиц эти факторы приобретают решающее значение. Уменьшение трудоемкости изготовления может быть достигнуто совмещением операций, применением сложных штампов-автоматов, автоматических линий. Связанное с этим удорожание производства оказывает малое влияние на себестоимость продукции, так как затраты распределяются на большое число штампуемых деталей.

При мелкосерийном производстве на себестоимость продукции большое влияние оказывает стоимость штампа. Поэтому экономически целесообразно применять штамповку в универсальных штампах со сменными пуансонами и матрицами. В этом случае технологический процесс расчленяют на ряд отдельных простых операций. Для оснащения штампов изготовляют только относительно простые пуансоны и матрицы. Это позволяет осуществлять штамповку с малыми затратами на оснастку.

К разделительным операциям листовой штамповки относятся отрезка, разрезка, обрезка, надрезка, вырубка, пробивка, проколка, зачистка.

В разделительных операциях листовой штамповки отделение одной части заготовки от другой осуществляется относительным смещением частей в направлении, перпендикулярном к плоскости заготовки. Это смещение в начальных стадиях характеризуется пластическим деформированием, но завершается обязательно разрушением. Для уменьшения искажений заготовки, вызываемых пластическими деформациями, стремятся локализовать очаг деформации, чему способствуют уменьшение радиусов скругления рабочих кромок инструмента, уменьшение зазора между пуансоном и матрицей, а также применение специальных разделительных операций.

Обычная вырубка и пробивка листового материала дают неровную, слегка криволинейную и шероховатую поверхность среза. В ряде случаев изготовления штампованных деталей повышенной точности требуется гладкая и перпендикулярная поверхность среза с параметром шероховатости поверхности Rz = 1,6–3,2 мкм.

В таких случаях применяют способы чистой вырубки, имеющие

значительные преимущества по сравнению с механической обработкой резанием и дающие гладкую полированную поверхность среза, перпендикулярную к поверхности изделия, при повышенной точности изготовления.

Сущность этих способов заключается в применении матрицы с закругленными режущими кромками (рис. 30, а), пуансона больше матрицы (рис. 30, б), или прижима, имеющего клиновидное ребро (рис. 30, в). Последний способ является новым, прогрессивным. В результате смещения некоторого объема металла клиновым ребром в сторону пуансона в зоне реза создается напряженное состояние объемного сжатия, которое способствует устойчивости пластической деформации и увеличивает пластические свойства материала заготовки. Этим способом изготовляют детали точного приборостроения толщиной 1,5–15 мм. Параметр шероховатости

поверхности среза Rz = 1,6–3,2 мкм.

Раскрой листового металла на штучные заготовки и полосы является первой операцией, связанной с потерями металла в виде обрезков и неиспользуемых отходов. В то же время экономия металла и уменьшение отходов в холодной листовой штамповке имеют весьма важное значение, особенно в крупносерийном и массовом производствах, так как при больших масштабах производства даже незначительная экономия материала на одном изделии в итоге дает значительный экономический эффект.

Рис. 30. Схемы процессов вырубки: а – обычной; б – пуансоном больше матрицы; в – точной с клиновым прижимом

При листовой штамповке экономия металла может быть получена наиболее целесообразным раскроем листов на штучные заготовки или полосы с наименьшими отходами; экономным раскроем полос и расположением вырубаемых деталей на полосе; уменьшением потерь металла на перемычки; применением так называемого безотходного и малоотходного раскроя; повышением точности расчета размеров заготовок и уменьшением припусков на обрезку; использованием отходов для изготовления других деталей; предупреждением появления брака штампуемых деталей.

Различные способы раскроя полосового материала по экономичности и технологическим отходам разделяют на три вида: раскрой с отходами, малоотходный и безотходный раскрои.

Оценку экономичности того или иного типа раскроя производят посредством определения коэффициента раскроя:

Кр = (f0np)/(Bh),

где f – площадь поверхности детали, м2; h – шаг вырубки, м;

0

В – ширина полосы, м; np – число рядов раскроя.

При штамповке из полосы или ленты коэффициент раскроя определяют по формуле

Ки = fn/LB,

где f – площадь детали, м2; п – число фактических деталей, получаемых из полосы; L – длина полосы или ленты, м; В – ширина полосы или ленты, м.

Если в операциях разделения листового материала стремятся к максимальной локализации очага деформации, то при формоизменяющих операциях сосредоточение деформации в одном месте недопустимо, так как формоизменяющие операции осуществляются без разрушения материала. При формоизменяющих операциях стремятся получить заданную величину деформации, чтобы заготовка приобрела требуемую форму. Если этого не удается достичь за один ход пресса, технологический процесс разбивают на переходы, число которых зависит от сложности детали, материала заготовки, применяемого оборудования.

При проектировании технологических процессов, в которых применяются операции гибки, технологам приходится определять размеры заготовки, минимальные радиусы изгиба, углы пружинения, условия гибки без калибровки, с калибровкой.

Одной из основных технологических характеристик при гибке является минимально допустимый радиус изгиба (радиус пуансона). Минимально допустимые радиусы изгиба должны соответствовать пластичности металла и не допускать образования трещин на наружной поверхности металла.

При снятии деформирующих усилий после гибки происходит упругая разгрузка, в результате чего размеры детали изменяются. Последеформационная упругая деформация при гибке носит название «пружинение». Для получения точных размеров гнутых деталей необходимо учитывать значения угла пружинения.

Для компенсации пружинения применяют различные способы: увеличивают углы подгибки на угол пружинения, используют гибку с калибровкой (подчеканкой), специальные штампы с компенсатором.

Вытяжка является основной из формоизменяющих операций. Вытяжку изделий из тонколистового материала в большинстве случаев производят в холодном состоянии. Вытяжку из толстолистового материала, а также из малопластичных металлов осуществляют с подогревом заготовок.

По характеру деформации различают: 1) вытяжку без утонения стенок; 2) вытяжку с утонением. В первом случае вытяжка происходит без заранее обусловленного изменения толщины материала стенок изделий: во втором случае процесс вытяжки осуществляется за счет изменения поперечного сечения: уменьшения диаметра и толщины стенок изделия.

Основными рабочими инструментами для вытяжки служат матрица и цилиндрический пуансон. При опускании пуансона плоский кружок-заготовка вытягивается, проталкивается пуансоном через матрицу и превращается в полый цилиндр. Различают три основных способа вытяжки.

1. Вытяжка полых деталей путем превращения плоского фланца в цилиндрическую или коробчатую форму при создании во фланце плоского напряженного состояния. Сюда относится вытяжка цилиндрических, овальных, коробчатых и других деталей с вертикальными или слегка наклонными стенками.
2. Вытяжка сферических, криволинейных и сложной формы деталей в штампах с вытяжными ребрами. В этом случае под прижимом преобладают растягивающие напряжения и деформации, а в остальной части деформируемой заготовки возникает напряженное состояние двухосного растяжения.
3. Вытяжка эластичной матрицей и фрикционная вытяжка, создающие заталкивание заготовки, в результате чего снижаются растягивающие напряжения в очаге деформации и облегчается процесс вытяжки.

При первом способе вытяжки наиболее благоприятные условия деформирования заключаются в максимально возможном уменьшении сопротивления плоского фланца деформированию. Этого достигают путем применения металла пониженной прочности, отжигом заготовки, нагревом фланца, вытяжкой без прижима, эффективным смазыванием. В результате снижаются растягивающие напряжения в опасном сечении, улучшается условие прочности этого сечения и становится возможной более глубокая вытяжка.

При втором способе вытяжки в штампах с вытяжными ребрами значительная часть заготовки вначале находится вне контакта с рабочими частями штампа и легко образует гофры и морщины. Для их предотвращения приходится создавать повышенные радиальные растягивающие напряжения и искусственно увеличивать сопротивление деформируемого металла путем перетягивания его через вытяжные ребра. При этом значительно возрастают растягивающие напряжения в опасном сечении и ухудшается условие его прочности. Для того чтобы в данном случае создать благоприятные условия деформирования и избежать разрыва, надо обеспечить условие прочности опасного сечения, что возможно лишь при применении металла повышенных прочности и упрочняемости при достаточно высокой пластичности.

Третий способ вытяжки обладает наиболее благоприятными условиями деформирования, так как в этом случае прочность опасного сечения позволяет получить значительную степень деформации. Таким образом, для рассмотренных способов вытяжки необходимо выбирать металл с различными механическими свойствами или в различном состоянии: при первом способе вытяжки – повышенной пластичности при пониженной прочности (стали 08-10 в отожженном состоянии или нормализованием состоянии с дрессировкой); при втором – повышенной прочности при достаточно высокой пластичности (стали 08-10, 12Х18Н9Т); при третьем – без повышенных механических свойств.

Процесс вытяжки характеризуется коэффициентом вытяжки, который определяется по формуле:

К = DИlDЗ,

где DИ – диаметр получаемого изделия или полуфабриката, м;

DЗ – диаметр заготовки, м.

Коэффициенты вытяжки должны быть разными для деталей различной геометрической формы, а также для различной относительной толщины материала, от которой зависит большая или меньшая степень устойчивости фланца заготовки.

Оптимальные значения коэффициентов вытяжки цилиндрических деталей без фланца зависят от относительной толщины заготовки.

При разработке конструкции детали, получаемой вытяжкой листового материала, необходимо стремиться к тому, чтобы деталь можно было бы получить за наименьшее число переходов. В процессе вытяжки, как и при любой холодной пластической деформации, все металлы подвергаются упрочнению или наклепу, сопровождаемому повышением сопротивления деформированию и прочностных характеристик и понижением пластичности металла. На складе полуфабрикатов с недельным, а иногда и более длительным сроком хранения пооперационных заготовок процесс старения металла приводит к значительному снижению пластичности материала заготовки или полуфабриката. Все это вызывает необходимость применения межоперационного отжига.

Обычные способы вытяжки применяют почти во всех отраслях промышленности. Однако в ряде случаев они недостаточно рациональны и эффективны. Например, не всегда приемлема многооперационность процесса вытяжки деталей сложной формы, для которых требуется большое число штампов. В результате работы по дальнейшему улучшению и интенсификации процесса глубокой вытяжки созданы и освоены особые способы вытяжки.

Обратная вытяжка (с выворачиванием) – это объединение двух или более операций вытяжки, выполняемых за один рабочий ход (рис. 31). При этом каждая последующая вытяжка осуществляется в направлении, обратном предыдущему. Обратную вытяжку применяют в целях сокращения количества штамповочных операций.

Рис. 31. Схема вытяжки с выворачиванием

Последовательную вытяжку в ленте (рис. 32) выполняют при изготовлении полых деталей и осуществляют на многопозиционных штампах. Для предотвращения разрывов ленты коэффициент вытяжки принимают несколько большим, чем при обычной вытяжке. Так, в случае вытяжки деталей из низкоуглеродистых сталей и латуней для первой операции коэффициент вытяжки берут равным 0,68–0,72, а для второй операции – 0,80–0,85. Этот способ значительно повышает производительность штамповки.

Рис. 32. Схема штамповки по ленте

Вытяжку с утонением (рис. 33) применяют для изготовления тонкостенных деталей, при этом длина вытягиваемой детали увеличивается за счет уменьшения толщины стенок.

Обычно утонение стенок за один проход не превышает 30–35 % начальной толщины, что обеспечивается соответствующим выбором зазора между пуансоном и матрицей. При вытяжке с утонением толщина дна изделия не изменяется. Эту операцию можно осуществлять через несколько матриц, расположенных последовательно одна за другой.

Рис. 33. Схема вытяжки с утонением

Вытяжку резиной (рис. 34) выполняют резиновой подушкой (пуансоном) в жесткой матрице или жестким пуансоном в резиновой матрице. Оба способа применяют для получения полых деталей из тонколистового материала. Резиновую подушку заключают в металлическую обойму. Штампы для вытяжки резиной просты, так как изготовлять нужно лишь один деформирующий элемент (пуансон или матрицу), другой заменяется резиной. Необходимость создания высоких удельных давлений и быстрое изнашивание резины ограничивают область применения этого способа. Он используется в основном в условиях мелкосерийного и индивидуального производств.

Рис. 34. Схема вытяжки резиновой подушкой (пуансоном): 1 – контейнер с резиной; 2 – заготовка; 3 – матрица

При гидравлической вытяжке (рис. 35) полые детали цилиндрической, конической, сферической или другой формы получают надавливанием на заготовку непосредственно жидкостью или жидкостью, заключенной в эластичную (резиновую) оболочку. Этот способ особенно эффективен при изготовлении деталей сложной формы, так как при гидравлической вытяжке отпадает необходимость в изготовлении металлического пуансона и пригонки его к матрице. Недостаток гидравлической вытяжки – возможность значительного утонения металла в отдельных зонах, так как силы трения между заготовкой и матрицей приводят к возникновению больших растягивающих напряжений.

Рис. 35. Схема гидравлической вытяжки

Рис. 36. Схема отбортовки

Отбортовку подразделяют на два основных вида (рис. 36): отбортовка отверстий – образование бортов вокруг предварительно пробитых отверстий; отбортовка наружного контура – образование невысоких бортов по наружному криволинейному краю заготовок.

Отбортовку отверстий широко используют в штамповочном производстве, заменяя операции вытяжки, с последующей вырубкой дна. Особенно большую эффективность дает применение отбортовки отверстий при изготовлении деталей с большим фланцем, когда вытяжка затруднительна и требует нескольких переходов.

Геометрические размеры отбортовки определяют исходя из равенства объемов заготовки и детали. Обычно высота борта бывает задана чертежом детали.

Отбортовку лучше производить при большом зазоре между пуансоном и матрицей или при значительно увеличенном радиусе закругления матрицы. Такая отбортовка характеризуется большим радиусом закругления, но малой цилиндрической частью борта; ее применяют для увеличения жесткости конструкции при малой ее массе (например, при отбортовке крупных отверстий и окон в авиационных, транспортных, судостроительных конструкциях и т. д.).

Отбортовку с малым радиусом закруглений и большой цилиндрической частью борта можно применять лишь для небольших отверстий под резьбу, при запрессовке осей или когда конструктивно необходимо иметь цилиндрические отбортованные отверстия.

Успешное выполнение отбортовки зависит от чистоты среза деформируемой кромки. При наличии заусенцев по краю отверстия неизбежно образование трещин и разрывов.

Степень деформации при отбортовке отверстий определяют соотношением между диаметром отверстия (D) в заготовке и диаметром борта (d) или так называемым коэффициентом отбортовки К0 = d/D.

Величина К0 зависит от вида и свойств материала и отношения толщины заготовки к диаметру пробитого отверстия  = (S/d). Для стали с содержанием углерода 0,1 % при , равном от 3 до 9, К0 = 0,60/0,45, а при , равном от 67 до 100, К0 = 0,23/0,20.

В различных отраслях промышленности (электро-, радиотехника, приборостроение) применяют штамповку деталей, имеющих отверстия с высокими цилиндрическими стенками. В данном случае применяют операцию отбортовки с утонением стенок, так как при простой отбортовке для образования высокого цилиндрического борта не хватало бы площади заготовки. При этом обычно достигают значительной экономии металла (рис. 37).

Рис. 37. Схема отбортовки с утонением

Отбортовка с заданным утонением материала является более целесообразной вследствие большей устойчивости пластической деформации металла и отсутствия разрыва и трещин, так как в процессе утонения возникает более благоприятное напряженное состояние за счет появления значительных сжимающих напряжений. Это позволяет вести отбортовку при смягченных «неопасных» коэффициентах отбортовки, а высоту борта получить за счет максимально допустимого утонения материала. Производственный опыт показывает возможность утонения за одну операцию до S = (2,0/2,5)Si, где Si – толщина материала в отбортованной части.

В некоторых неответственных случаях допускается изготовление рваного борта путем проколки материала гвоздеобразным пуансоном. Этот способ отбортовки применяют для соединения деталей из тонкого материала (до 0,6 мм) взамен соединения заклепками, а также для получения отверстий с загнутыми кромками.

12. Высокоэнергетические методы штамповки

Последние десятилетия характеризуются быстрым развитием производства крупногабаритных машин и механизмов. Изготовление элементов конструкций размерами 3–10 м потребовало создания новых беспрессовых методов штамповки ввиду ограниченных возможностей механических и гидравлических прессов.

В качестве таких методов были созданы и применены на практике высокоэнергетические методы формообразования под действием импульсивных нагрузок, создаваемых взрывом брезантных взрывчатых веществ, газовых смесей, давлением испаряющихся сжиженных газов, высоковольтным электрическим разрядом в жидкости, мощными импульсами магнитного поля.

Особенностью высокоэнергетических импульсных методов штамповки является высокая скорость деформирования в соответствии с высокими скоростями преобразования энергии. Поэтому высокоэнергетические методы штамповки именуются высокоскоростными методами. Они получили преимущественное применение при изготовлении крупногабаритных деталей типа днищ, полусфер, оболочек и других, изготовляемых малыми сериями, когда использование прессов и штампов становится технически нецелесообразным и экономически невыгодным.

Импульсные методы обработки металлов имеют место в самых разнообразных процессах штамповки: при вытяжке, листовой формовке, формоизменении трубчатых заготовок, вырубке и пробивке отверстий, резке труб и проката, объемной штамповке, калибровке и поверхностном упрочнении металла, прессовании, сварке разнообразных металлов, запрессовке и развальцовке труб, различных сборочных операциях.

Взрывная штамповка основана на деформации заготовки давлением ударной волны, образующейся при взрыве брезантных взрывчатых веществ (ВВ), при этом время деформации детали исчисляется миллисекундами.

Взрывная штамповка получила преимущественное применение для обработки крупных деталей (1,5–8 м) при толщине материала свыше 2 мм. Достоинством ее является высокая экономическая эффективность в результате резкого снижения капитальных затрат и сокращения сроков и стоимости подготовки производства. Другое преимущество – возможность штамповки деталей из высокопрочных сплавов.

В зависимости от размеров и формы деталей взрывная штамповка осуществляется следующим образом: при больших габаритах деталей – в бассейнах с водой или бронекамерах; при небольших размерах деталей – в наземных установках.

Наряду со взрывной штамповкой применяют способ формовки высоковольтным электрическим разрядом в воде. Энергия, необходимая для электрического разряда, накапливается в высоковольтной конденсаторной батарее (35–40 кВ). Накопленная энергия (от 30 до 120 кДж) создает между электродами мгновенный разряд длительностью 10-5 с, что приводит к мгновенному испарению некоторого объема воды и расширению образовавшегося пара, который вызывает ударную волну в жидкости, в результате чего происходит деформация заготовки.

Электрогидравлическая штамповка имеет ряд преимуществ перед взрывной штамповкой: 1) лучшую управляемость процессом за счет варьирования количества импульсов и месторасположения разрядных контуров: 2) возможность изменения энергии и осуществления многократного разрядного импульса; 3) размещение электрогидравлических установок в производственных помещениях.

Электрогидравлической штамповкой осуществляют вытяжку, листовую формовку, отбортовку, растяжку полых деталей, пробивку отверстий, развальцовку труб и т. п. Наиболее перспективно применение электрогидроимпульсной штамповки для изготовления крупногабаритных деталей размерами от 400400 до 1300 1800 мм. Электрогидравлической обработке подвергаются различные, в том числе труднодеформируемые, металлы и сплавы.

Установки для штамповки высоковольтным электрическим разрядом состоят из источника питания, включая высоковольтный трансформатор с выпрямительным устройством, конденсаторной батареи, разрядника и технологической установки, состоящей из матрицы, прижимного устройства, электродов, вакуум-насоса.

Магнитно-импульсная штамповка (МИШ) основана на мгновенном разряде электроэнергии, накопленной в конденсаторной батарее, через соответствующий индуктор, являющийся рабочим органом. При этом в цепи индуктора протекает импульс тока, а в окружающем индуктор пространстве возникает импульсное магнитное поле высокой напряженности. Это магнитное поле индуцирует вихревые токи противоположного направления в металлической заготовке, помещенной вблизи индуктора. При взаимодействии мощного поля индуктора с индуцированным в заготовке током и его магнитным полем возникают электромеханические силы взаимодействия, стремящиеся оттолкнуть заготовку от индуктора и вызывающие ее деформацию. МИШ получила довольно широкое применение в промышленности при выполнении различных операций листовой штамповки: вытяжки, вырубки, пробивки отверстий, отбортовки, развальцовки труб, запрессовки штуцеров, обжатия труб и наконечников на тросах, сборки трубчатых деталей с оправками и т. п. Этот способ имеет ряд преимуществ перед другими высокоэнергетическими методами:

• повышенную точность штампуемых деталей; сравнительно

высокую производительность процесса; возможность точного дозирования мощности импульсного разряда путем применения конденсаторов различной емкости, автоматизации и встраивания магнитно-импульсных установок в производственный процесс;

• возможность выполнения сборочных операций, а также де-

формирования заготовок за несколько разрядных импульсов, причем первые импульсы служат для разогрева заготовки и повышения ее пластических свойств.

Магнитно-импульсные установки конструктивно просты, не имеют движущихся и трущихся частей и поэтому надежны в эксплуатации.

Холодная штамповка, применявшаяся вначале только в крупносерийном и массовом производствах, в настоящее время получила широкое распространение в мелкосерийном производстве, в серийном производстве с неустойчивой, часто изменяющейся номенклатурой деталей и даже при изготовлении опытных деталей. Это стало возможным в результате применения универсальных или простых и дешевых штампов и внедрения штамповки по элементам.

Внедрение холодной штамповки в мелкосерийном производстве взамен малопроизводительной ручной обработки приводит к значительному экономическому эффекту, заключающемуся в резком снижении трудоемкости по сравнению с ручной обработкой деталей, в уменьшении расхода материала и снижении массы штампуемых деталей, в увеличении производительности и снижении себестоимости деталей.

В мелкосерийном производстве получили применение следующие процессы листовой штамповки: 1) на универсальных переналаживаемых штампах, предназначенных для изготовления подобных однотипных деталей разных размеров; 2) по элементам на универсальных быстропереналаживаемых штампах; 3) на координатно-револьверных пробивных прессах; 4) на прорезных прессах и обрабатывающих центрах; 5) на универсально-сборных штампах;

6) полиуретаном.

Универсальные штампы давно применяются в серийном и мелкосерийном производствах и предназначены для отрезки, пробивки, надрезки, обрезки и гибки деталей, различающихся своими размерами. На этих штампах изготовляют детали из полосы, ленты, прутка и профильных заготовок.

Рис. 38. Схема штамповки по элементам

Метод штамповки по элементам, разработанный заслуженным изобретателем РСФСР В.М. Богдановым, заключается в том, что контур штампуемой детали расчленяется на простейшие элементы (прямые участки, закругления, пазы, скосы, отверстия и т. п.), выполняемые на заготовке последовательно при помощи набора различных штампов, каждый из которых может штамповать один или группу элементов контура (рис. 38).

В мелкосерийном производстве штамповка по элементам универсальными штампами позволяет отказаться от изготовления ряда специальных штампов, что дает большую экономию и значительно сокращает сроки подготовки производства. В случае изменения размеров деталей вместо переделки штампов требуется лишь переналадка универсальных штампов.

При листовой штамповке в условиях мелкосерийного производства осуществляется штамповка на координатно-револьверных пробивных прессах деталей типа плат, панелей, шасси приемников с большим числом отверстий и пазов разных форм и размеров. Изготовление таких деталей на координатно-револьверных пробивных прессах заключается в последовательной штамповке отверстий или других элементов при помощи набора сменных штампов, устанавливаемых в револьверной головке пресса. Обрабатываемая заготовка подается на рабочую позицию при помощи координатного устройства, управляемого вручную или автоматически при помощи программного управления. Координатно-револьверный пресс позволяет штамповать не только отверстия, но и наружные элементы листовых деталей: пазы, срезы, закругления, ребра жесткости, жалюзи, а также неглубокую отбортовку.