Способы изготовления поковок

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ

АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДАМИ ГОРЯЧЕГО ОБЪЕМНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Учебное пособие

Авторы: А.П.Шулепов, И.М.Трухман, И.Л.Шитарев

Самара 1998 г.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИИ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Способы изготовления поковок

Объемной штамповкой называют процесс обработки давлением, при котором происходит принудительное перераспределение металла заготовки с заполнением полости инструмента, называемого штампом. Полость штампа, которую заполняет металл при штамповке, называют ручьем.

По способу изготовления поковок в зависимости от типа штампа горячую объемную штамповку разделяют на штамповку в открытых штампах, безоблойную штамповку в закрытых штампах, штамповку в штампах для выдавливания и штамповку на горизонталъно-ковочных машинах (табл.1).

Открытыми называют штампы, у которых вдоль всего внешнего контура штамповочного ручья в плоскости разъема сделана облойная канавка. При деформировании нагретой заготовки она заполняет объем ручья, встречая сопротивление стенок 2 ручья и сил трения. Облойная канавка при штамповке имеет следующее назначение: во - первых, в нее вытекает избыточный объем металла заготовки; во - вторых, при соударении верхней и нижней частей штампа облой, находящийся в канавке, предохраняет их от жесткого удара, что способствует продлению срока службы штампа; в - третьих, мостик облойной канавки в виде узкой щели создает в конце штамповки большое сопротивление течению металла, чем способствует лучшему заполнению ручья штампа. Этому же способствует и быстрое остывание облоя.

Штампы, в которых металл заготовки деформируется в замкнутом пространстве, называют закрытыми, а штамповку в них безоблойной. Для штамповки в таких штампах характерны следующие особенности: заготовка должна быть достаточно точной по объему, так как облой не предусматривается; макроструктура поковок весьма благоприятна, поскольку процесс формирования поковки в полости штампа протекает так, что волокна обтекают ее контур и после нигде не перерезаются. Расход металла при штамповке в закрытых штампах меньше, чем в открытых. Зазор D между подвижной частью 1 (пуансоном) и неподвижной 2 (матрицей) в процессе штамповки не изменяется.

При безоблойной штамповке заготовка с момента соприкосновения ее со стенками штампа подвергается всестороннему неравномерному сжатию, что способствует значительному повышению пластичности металла. Поэтому при штамповке в закрытых штампах можно

Таблица 1

Классификация способов изготовления поковок в зависимости от типа штампа

Наименование способа	Схема процесса
Штамповка в открытых штампах (с облоем)	1,5 – верхняя и нижняя половины штампа. 2 – стенка ручья штампа, 3 – облой, 4 - поковка
Штамповка в закрытых штампах (безоблойная)	1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – поковка 4 - выталкиватель
Штамповка выдавливанием (а) И прошивкой (б)	1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – поковка 4 - выталкиватель
Штамповка на горизонтально- Ковочных машинах	1 – пуансон, 2 – подвижная матрица, 3 – поковка, 4 – неподвижная матрица

деформировать малопластичные металлы и сплавы. Благодаря более равномерной деформации и отсутствию истечения металла в облой макроструктура и механические свойства поковок лучше, чем при штамповке с облоем.

Штампами для выдавливания называют такие, в которых образование поковки происходит путем пластического течения материала заготовки в его полости. Слева показана схема штампа для прямого выдавливания, а справа - для обратного выдавливания (прошивки). При прямом выдавливании направления действующего усилия и течения металла в полость штампа совпадают, при обратном выдавливании направления действующего усилия и течения металла противоположны. Рабочий инструмент таких штампов состоит из матрицы 2, в которую помещают нагретую заготовку, пуансона 1, который, воздействуя на металл, производит выдавливание, и выталкивателя 4, необходимого для удаления поковки 3.

Сущность процесса горячей штамповки выдавливанием состоит в том, что заготовку деформируют в ручье, выполненном так же, как и при штамповке в закрытых штампах, но имеющем отверстия в матрице или пуансоне, через которые выдавливается часть металла, образуя сплошной или пустотелый стержень.

Поковки при штамповке выдавливанием состоят из утолщенной части, которая получается в полости ручья, и стержневой части, выдавленной через отверстие полости штампа. Профиль выдавленной стержневой части поковки может иметь постоянное или переменное (конический или ступенчатый стержень) поперечное сечение. Обычно при штамповке выдавливанием отходы не предусматриваются за исключением той части объема заготовки, которая является избыточной вследствие неточности прокатки и разделки пруткового металла на мерные заготовки.

Штамповка выдавливанием протекает по схеме неравномерного всестороннего сжатия, обеспечивающей металлу высокую пластичность. Благодаря этому горячая штамповка выдавливанием позволяет успешно изготавливать поковки из труднодеформируемых специальных сталей и сплавов, получающих в последнее время все более широкое применение в различных областях машиностроения.

При штамповке на горизонтально-ковочной машине (ГКМ) штампы имеют взаим-ноперпендикулярные разъемы в двух плоскостях. Основными элементами штампов являются подвижная и неподвижная матрицы и блок с пуансонами, совершающими возвратно - поступательное движение. Работа на ГКМ выполняется следующим образом. Заготовка поковки в виде нагретого прутка 3 подается в неподвижную матрицу 4, причем длина деформируемой части прутка фиксируется заранее установленным на требуемой отметке передвижным упором. После включения машины подвижная матрица 2 перемещается и при полном смыкании.

Выбор способа штамповки в зависимости от массы поковки

Таблица 3

Классификация кузнечно-штамповочных машин по характеру скорости деформирующего инструмента на участке рабочего хода.

№ группы	Наименование группы машин	Характер скорости деформирующего инструмента на участке рабочего хода	График скорости
	Молоты	Кривая скорости нежесткая; скорость изменяется от максимального значения Vmax в на- чале рабочего хода в зависимости от оказываемого сопротивления деформируемого металла. Время tp мало (машины ударного действия) Vmax – до 20 м/с tp = 0.01...0.001 м/c
	Гидравлические прессы	Кривая скорости нежесткая; отличается характером изменения (возможно от нулевого значения в начале рабочего хода – штри- ховая линия на схеме). Время tp сравнительно большое (машины статического действия) Vmax- до 0.3 м/c tp = 0.1…1с и более
	Кривошипные машины	Кривая скорости жесткая, изменяется по заранее заданной закономерности (если пренебречь упругими деформациями частей машины и влиянием зазоров в звеньях). Vmax – до 0.5 м/с tp = 0.1…3с и более
	Ротационные машины	Скорость движения инструмента в течение периода рабочего хода постоянна и характе- ризуется прямой, параллельной шкале времени t. Vmax = 8 м/c tp = 0.1с и более
	Импульсные машины	Кривая скорости нежесткая. Время tp мало. Vmax – до 300 м/с Tp = 0.002…0.00002 с

Поковка методом горячей объемной штамповки может быть получена несколькими способами с применением различного оборудования. Предварительно, без подробной технологической проработки, выбор того или иного способа штамповки и оборудования основывается на следующих общих положениях.

Штамповка на молотах остается широко распространенным способом горячей объемной штамповки. Штамповка осуществляется главным образом на паровоздушных штамповочных молотах двойного действтм, в открытых и закрытых штампах. При штамповке на молоте деформирование происходит с большой скоростью за несколько ударов. В начале удара скорость движущейся бабы составляет более 6 м/с.

Наличие окалины увеличивает коэффициент трения металла заготовки о стенки штампа и ухудшает его заполняемость. При штамповке на молоте в открытых штампах после каждого удара окалина отваливается от поверхности заготовки и выдувается из штампа, что облегчает течение металла. На молотах получают поковки различной конфигурации массой до несколько сот килограммов.

Среди различных способов повышения рентабельности кузнечно-штамповочного производства важное место занимает изготовление поковок на молотах в закрытых штампах (безоблойнная штамповка). Наряду с экономией металла, которая в зависимости от конфигурации поковок достигает от 10 до 30% (и более), снижаются трудоемкость и себестоимость изготовления поковок за счет устранения операции обрезки облоя, высвобождается оборудование (обрезные прессы), отпадает необходимость дорогостоящего обрезного инструмента, а также снижается расход топлива и электроэнергии, уменьшается трудоемкость обработки поковок на металлорежущих станках.

Снятие операции обрезки облоя, которая нередко лимитирует работу штамповщика, позволяет увеличить производшелъность труда на 10 - 20%. Отсутствие облоя при штамповке в закрытых штампах позволяет вести штамповку на молотах меньшей мощности, упрощает конструкцию штампов и уменьшает их себестоимость.

Поковки, изготовляемые безоблойной штамповкой, более высокого качества, чем в открытых, за счет лучшего расположения и отсутствия переделанных волокон в месте среза облоя и большой точности размеров поковок в плоскости их разъема.

К недостаткам безоблойной штамповки нужно отнести меньшую ее универсальность. В настоящее время штампуют главным образом поковки круглые в плане и можно штамповать поковки с вытянутой осью, имеющие постоянное поперечное сечение по длине. Для штамповки поковок удлиненной формы сложной конструкции со значительной разницей в сечениях требуется подготовка точных фасонных заготовок.

Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах наиболее прогрессивный способ получения поковок. По сравнению со штамповкой на молотах он обладает более широкими возможностями механизировать и автоматизировать штамповочные операции. На ГКШП ложно штамповать, поковки различной конфигурации массой до 100 кг в открытых и закрытых штампах.

Характер деформирования и течение металла на КГШП несколько иные, чем при штамповке на молотах. При штамповке на молоте заполнение металлом полости ручья штампа обычно происходит за несколько ударов, при штамповке на кривошипном прессе - за один ход ползуна пресса. При штамповке на молоте в момент нанесения ударов вследствие больших скоростей деформирования пластической деформации подвергаются преимущественно верхние слои заготовки, т. е. те объемы металла, которые находятся вблизи контакта с движущимся инструментом. Это способствует лучшему заполнению верхних полостей ручья штампа. При штамповке на прессе в момент нажатия деформации подвергается сразу весь объем заготовки. Объемы металла, прилегающие к поверхности штампа, при сравнительно небольшой скорости деформирования быстро охлаждаются, в результате чего происходит интенсивное течение внутренних слоев металла средней части заготовки от центра к периферии и менее интенсивное заполнение полости ручья штампа по высоте. Это необходимо учитывать при разработке технологического процесса и конструировании штампов.

Наиболее целесообразным средством для предотвращения вытекания большого количества металла в облой и более интенсивного заполнения полости ручья прессового штампа является увеличение количества подготовительных ручьев с целью постепенного приближения формы заготовки к форме поковки. В противном случае в облой вытечет, большее, чем положено, количество металла, а полость ручья штампа останется частично не заполненной. Поковки, штампуемые на молоте за один переход, целесообразно штамповать на прессе за два или несколько переходов. При штамповке поковок сложной конфигурации увеличить сопротивление вытеканию металла в облой можно за счет создания "зоны торможения". Для этого следует либо увеличить ширину мостика на 50 - 70%, либо уменьшить на 40 - 50% толщину облоя. Первый способ более простой и применяется чаще, поскольку высоту облоя при штамповке на КГШП можно изменять. При штамповке на молотах заполнение полости ручья верхней части происходит значительно быстрее, нежели полости ручья нижней части штампа; при штамповке на прессах значительной разницы в заполнении полости ручья верхней и нижней частей штампа нет. Различие в действии удара молота и нажатии пресса состоит в неодинаковой продолжительности воздействия штампа на заготовку. Каждый удар молота длится 0,005-0,01с, тогда как на прессе продолжительность единичного обжатия в каждом ручье составляет 0,03-0,08.

К недостаткам штамповки на КГШП относятся:

· Меньшая универсальность в работе по сравнению с молотами. Ввиду жесткого хода ползуна такие операции, как протяжку и подкатку, не применяют;

· Необходимость очистки заготовок от окалины перед штамповкой, так как деформация происходит за один ход пресса, и вся окалина может заштамповаться в поверхность поковки;

· Штампы ГКШП более сложные, регулировка их трудоемкая.

Штамповка на гидравлических прессах, вместо штамповки на молотах, применяется, как правило, только там, где не может быть использован молот, а именно:

· При штамповке крупных поковок, для которых масса падающих частей самых тяжелых молотов оказывается недостаточной;

· При штамповке малопластичных сплавов, не допускающих больших скоростей деформирования;

· Для различных видов штамповки выдавливанием;

· Там, где необходим очень большой рабочий ход, например, при глубокой прошивке или протяжке прошитых заготовок.

Ввиду большой чувствительности пресса к нецентральной нагрузке, необходимо очень точно рассчитывать центр ручья штампа, и этот центр совмещать с осью пресса, в связи с чем на гидравлических прессах осуществляется штамповка только в одном центральном ручье.

Гидравлические штамповочные прессы обладают сравнительно малой скоростью перемещения деформирующего инструмента, поэтому их производительность ниже по сравнению с КГШП, однако они значительно превосходят КГШП по развиваемым усилиям. Их широко применяют для штамповки поковок из легких сплавов. К особо характерным операциям и процессам, выполняемым на гидравлических прессах, относятся: прошивка в закрытой матрице (закрытая прошивка); протяжка через кольца или ролики, применяемая для тонкостенных поковок, которые нельзя изготовлять за одну операцию прошивки; открытая и закрытая (безблойная) штамповка; штамповка выдавливанием.

На винтовых прессах изготовляют поковки различных конфигураций; их используют для правки, гибки и калибровки поковок. Наличие выталкивателя создает благоприятные условия для штамповки на фрикционных прессах болтов, заклепок, валиков и им подобных поковок. Важным технологическим преимуществом этих прессов является безопасность в отношении перегрузки. Так как винтовые прессы относятся к оборудованию с нежестким ходом (в отличие от КГШП и ГКМ), то перегрузки, могущие возникнуть при штамповке, не вызывают заклинивание пресса. Штамповка производится в закрытых штампах.

На горизонтально ковочных машинах можно штамповать детали определенной конфигурации массой от 0,1 до 150 кг. Основное отличие штампов ГКМ от молотовых и прессовых – это наличие у них двух взаимно перпендикулярных плоскостей разъема:а) между пуансоном и матрицами и б) между неподвижной и подвижной полуматрицами.

Штамповка на ГКМ имеет следующие преимущества:

· Можно легко штамповать детали, которые на другом оборудовании рационально изготовить нельзя, например, поковки типа стержня с фланцем и другие;

· Достигается экономия металла, так как штамповка производится преимущественно в закрытых штампах, а штамповочные уклоны в ряде случаев отсутствуют;

· Макроструктура поковок получается благоприятной и обеспечивает высокое качество деталей;

· Возможно применение вставок для ручьев, чем экономится штамповая сталь;

· Работа на ГКМ легко автоматизируется.

К недостаткам штамповки на ГКМ относятся:

· Меньшая универсальность по сравнению с молотами и прессами. Номенклатура поковок резко ограничена;

· Низкая стойкость штампов, которая объясняется рядом причин. Штамп закрытый, поэтому возникают перегрузки в полости ручья;

· Необходимость очистки нагретого прутка от окалины, так как деформирование происходит за один ход и вся окалина будет заштампована.

Изотермическая штамповка. Сущность заключается в том, что формоизменение нагретой заготовки осуществляют а штампе, нагретом до температуры деформации: Т=700-1100°С. Высокотемпературным изотермическим деформированием можно получать поковки из легированных сталей, титановых и жаропрочных сплавов разнообразных конфигураций. Изотермические условия можно создавать в специальных штамповых блоках, позволяющих со сравнительно небольшими затратами энергии нагревать инструмент до температуры деформации.

Штамповочными материалами служат литейные жаропрочные сплавы на никелевой основе. Заготовки нагревают в автономном нагревателе или непосредственно в штамповом блоке. Время процесса 3-5 мин.

В качестве деформирующего оборудования для изотермической штамповки используют гидравлические прессы с усилием 2,5; 6,3 и 16 МН. Управление прессами - кнопочное. Режимы работы – полуавтоматический и наладочный. Плиты пресса нагревают трубчатыми нагревателями.

Большим преимуществом изотермического деформирования является повышение пластичности обрабатываемого металла. Что связано с более полным протеканием разупрочняющих процессов, а также с «залечиванием» микротрещин при пониженных скоростях деформации.

Поскольку усилие и работа деформации в изотермических условиях снижаются, соответственно уменьшается количество выделенной в результате деформации теплоты, которая вследствие однородности деформации распределяется в объеме заготовок относительно равномерно. Равномерная деформация заготовки при отсутствии зон затрудненной деформации и локального перегрева из-за теплового эффекта обеспечивает хорошую всестороннюю переработку структуры, высокие прочностные и пластические характеристики металла, уменьшает разброс свойств в объеме заготовок.

Точность заготовок, штампованных в изотермических условиях, значительно повышается в результате:

· Уменьшения упругих деформаций системы пресса – штамп за счет снижения сопротивления деформированию штампуемого металла и усилия штамповки;

· Уменьшения колебаний температуры деформации и, следовательно, большей стабильности геометрических размеров штампованных поковок;

· Снижения остаточных напряжении в объеме штамповочной поковки, что уменьшает ее деформацию при остывании и термообработке и улучшает ее качество;

· Уменьшения толщины дефектного слоя и улучшения качества поверхности поковки в результате меньшего взаимодействия с окружающей средой при снижении температуры деформации и использовании эффективных защитно-смазочных стеклянных покрытий.

Особенности изотермического деформирования обуславливает область его применения, которая охватывает в основном следующие технологические процессы:

· Деформирование малопластичных материалов, практически не поддающихся обработке давлением в обычных условиях;

· Штамповку заготовок с элементами небольшой ширины, которые в обычных условиях можно получить только с большими напусками;

· Штамповку поковок повышенной точности, особенно для деталей из дорогостоящих материалов;

· Штамповку поковок для изделий, к качеству и надежности которых предъявляют повышенные требования.

Штамповка в условиях сверхпластичности. Сверхпластичность означает способность металла к большим пластическим деформациям без нарушения внутренней сплошности в изотермических условиях при повышенной температуре и низких усилиях деформации, величина которых зависит от скорости деформации. Для возникновения сверхпластичного состояния материала обычно требуется следующие условия:

· Ультрамелкозернистая структура с размерами зерен в диапазоне 1-10 мкм;

· При температуре деформирования предпочтительнее иметь двухфазную структуру во избежании роста зерен;

· Эти две фазы должны иметь примерно одинаковую прочность;

· Температура деформирования должна составлять 0,4-0,7 абсолютной температуры плавления;

· Малая скорость деформации.

Отсюда следует, что эффект сверхпластичности проявляется в гораздо узком температурно-скоростном интервале, чем при изотермическом деформировании. При этом к исходной структуре предъявляются жесткие требования.

Оборудование применяется такое же, как и при изотермической штамповке.

Поиск по сайту: