Вопросы представляют собой задачи, в которых предлагается разработать процесс изготовления поковки ковкой, горячей объемной штамповкой или детали холодной листовой штамповкой. Ответы на эти вопросы следует начинать с указания заголовка вопроса и изображения эскиза заданной детали.

1.Ковка

Ковка - процесс обработки давлением нагретого металла между верхним бойком и наковальней (нижним бойком).

Ковка применяется для получения поковок в мелкосерийном и ремонтном производствах и является единственным способом получения массивных поковок.

Процесс состоит из чередования в определенной последовательности основных операций (осадка, высадка, вытяжка, гибка, прошивка отверстий, раскатка и др.).

Нагретую заготовку укладывают на нижний боек и верхним бойком последовательно деформируют на отдельных участках. При этом металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента (плоские или фигурные бойки, а также подкладной инструмент).

Заготовка, полученная ковкой, называется п о к о в к о й. В дальнейшем она подвергается механической обработке.

Исходными заготовками для ковки крупных поковок являются слитки. Поковки средней и малой масс изготавливают из сортового проката круглого, квадратного или прямоугольного сечений, разрезанного на заготовки требуемой длины.

Ковку подразделяют на ручную и машинную. Ручной ковкой получают мелкие поковки при ремонтных работах. Такая ковка малопроизводительна и требует тяжелого ручного труда. Более распространена машинная ковка на молотах и прессах.

Молотами называют машины ударного действия, в которых энергия привода перед ударом преобразуется в кинетическую энергию линейного движения рабочих масс с закрепленным на них инструментом - бойком, а во время удара преобразуется в полезную работу деформирования металла заготовки.

При ударе бойка по заготовке часть энергии расходуется на ее деформацию, а остальная поглощается нижним бойком или его основанием (шаботом). Коэффициент полезного действия молота определяется как отношение полезной работы деформации А_Д ко всей энергии удара А (η = А_Д / А).

Чем больше масса шабота, тем выше коэффициент полезного действия молота. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей, что обеспечивает η = 0,8...0,9.

Для приводов молота используют обычно пар, сжатый воздух или газ, жидкость под давлением.

Паровоздушные молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом, поступающими от котла или компрессора. Поступая под поршень рабочего цилиндра, энергоноситель поднимает подвижные части молота, затем, при поступлении в верхнюю часть цилиндра разгоняет поршень и связанные с ним части до скоростей 6...7 м/с, нанося удар. Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей 1000...8000 кг, что позволяет изготавливать поковки средней массы (20...350 кг) преимущественно из прокатанных заготовок.

Пневматические молоты приводятся в действие сжатым воздухом и применяются для ковки мелких поковок (до 20 кг). Их изготавливают с массой падающих частей 50...1000 кг.

Применяются также электромеханические рычажные молоты, в которых энергия вращения электродвигателя преобразуется через систему рычагов в энергию движения бойка. Электромеханические молоты обычно применяются для изготовления мелких и средних поковок массой до 10 кг.

Для изготовления крупных поковок из слитков применяют гидравлические прессы. В отличие от молотов деформация металла в них осуществляется статистическим давлением, т.е. постепенно в течение нескольких десятков секунд. Усилие в них создается с помощью жидкости (эмульсии или минерального масла). Ковочные гидравлические прессы изготавливают усилием 5...1000 кН.

Основные операции ковки

Процесс получения состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. К основным операциям ковки относятся осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка и скручивание.

О с а д к а - операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения.

Осадку обычно применяют для получения поковок с большими поперечными размерами при относительно малой высоте (зубчатые колеса, маховики, диски) и как предварительную операцию перед прошивкой для изготовления пустотелых поковок (кольца, втулки, барабаны).

Деформация при осадке может быть выражена величиной уковки.

У = F ₁ / F ₂ ,

где F ₁ - большая площадь поперечного сечения поковки;

F ₂ - меньшая площадь поперечного сечения исходной заготовки.

Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства.

Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки, у которых отношение высоты h _заг к диаметру d _заг больше 2,5, так как в этом случае может произойти продольное искривление заготовки.

Разновидностью осадки является в ы с а д к а, при которой металл осаживается только на части длины заготовки. Высадку производят, применяя подкладные кольца либо используя местный нагрев заготовки.

П р о т я ж к а - операция увеличения длины заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с продвижением заготовки вдоль оси, иногда при необходимости с поворотом заготовки на 90⁰.

Протягивать заготовку можно плоскими и вырезными бойками. Вырезные бойки обычно применяют при изготовлении поковок круглого сечения (валы, рычаги, тяги).

П р о т я ж к а . с . о п р а в к о й - операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения ее стенок.

Р а з г о н к а - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины.

Р а с к а т к а . н а . о п р а в к е - операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.

П р о ш и в к а - операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка). Инструментом для прошивки являются прошивни сплошные или пустотелые. Пустотелые прошивни применяют обычно для прошивки отверстий большого диаметра (400...600 мм). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца.

О т р у б к а- операция отделения части заготовки путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента - топора. Отрубка применяется для получения из заготовки большой длины нескольких коротких или для удаления излишков металла на концах поковок.

Г и б к а - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т.п. В процессе гибки возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления подбирают соответствующий радиус закругления.

С к р у ч и в а н и е - операция, посредством которой часть заготовки поворачивается вокруг продольной оси на требуемый угол. Операция применяется при изготовлении коленчатых валов, спиральных сверл и т.п.

К о в к а . в . п о д к л а д н ы х . ш т а м п а х применяется для изготовления заготовок с относительно сложной конфигурацией. Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка. В подкладных штампах можно изготавливать головки гаечных ключей, болтов, дисков со ступицами и другие поковки.

Разработка технологии на изготовление поковок

Разработка технологического процесса ковки состоит из следующих этапов:

- проектирование поковки;

- расчет размеров и массы исходной заготовки;

- назначение кузнечных переходов;

- выбор оборудования;

- определение режимов нагрева и охлаждения;

- назначение термообработки для готовой поковки.

П р о е к т и р о в а н и е . п о к о в к и. Чертеж поковки разрабатывают по чертежу детали. При разработке чертежа поковки надо учитывать некоторые особенности процесса, например, избегать наклонных поверхностей. Размеры поковки по сравнению с размерами готовой детали увеличивают на величину припуска. Для упрощения формы поковки по отдельным поверхностям, получение которых ковкой затруднено или невозможно, предусматривают местное увеличение размера, называемое н а п у с к о м.

На все размеры поковки называют допуски. Припуски и допуски на поковки из углеродистой и легированной сталей, изготавливаемые ковкой на молотах, регламентированы ГОСТ 7829-70, а на прессах - ГОСТ 7062-79.

В табл. 1 приведена выдержка из ГОСТ 7829-70 по припускам и допускам для поковок простой формы цилиндрического, квадратного и прямоугольного сечений.

Для поковок круглого и квадратного сечений с уступами предусмотрены дополнительные припуски (на несоосность ) величиной 3...10 мм при разности размеров диаметров (или сечений прямоугольника) до 40 мм и свыше 180 мм.

Припуски на общую длину таких поковок берут в 2,5 раза больше, чем указано в табл. 1.

Р а с ч е т . р а з м е р о в . и . м а с с ы . и с х о д н о й . з а г о т о в к и. Массу исходной заготовки G ₃ при ковке из проката определяют по формуле:

G₃ = G_n + G_o ,

где G_n - масса поковки, кг;

G_o - масса отходов на обсечки и угар, кг.

Если поковку обрабатывают в дальнейшем резанием, то подсчет массы металла проводят по номинальным размерам (размер детали с припуском) без учета допусков.

Если поковка механически не обрабатывается, то подсчет массы металла поковки проводят с учетом максимальных значений допусков, т.е. по максимальным размерам поковки.

Массу поковки подсчитывают по формуле:

где V_n - объем металла поковки, см³;

р - плотность, равная для стали 7,85 г/см³.

Массу отходов на обсечки и угар металла при нагреве берут в процентах от массы поковки в зависимости от ее сложности.

Тип поковки .................................................масса отходов в % от массы поковки

Глухие фланцы....................................................................1,5

Зубчатые колеса...............................................................8...10

Втулки, обечайки..............................................................3...5

Гладкие валы, бруски........................................................5...7

Валы и вилки с уступами,болты......................................7...10

Гаечные ключи, шатуны..................................................15...18

Рычаги сложные, кривошипы.........................................18...25

Оптимальную площадь поперечного сечения заготовки определяют, исходя из площади поперечного сечения детали, характера обработки и степени укова. Если основной операцией при ковке является вытяжка, то площадь поперечного сечения заготовки определяют по формуле:

F₃ = F_nK,

где F_n- площадь поперечного сечения поковки, см²;

К - степень укова, равная для проката 1,3...1,5, для слитка - 1,5...2,0.

Для операции осадки высота исходной заготовки должна быть менее трех ее диаметров.

Длину исходной заготовки L₃ , см, можно определить по формуле:

где V ₀ - объем отходов, см³;

V₃ - объем заготовки, см³.

Для облегчения расчетов объем сложных деталей (например, состоящих из нескольких цилиндрических частей с различными диаметрами) разбивают на объемы элементарных фигур, которые затем складывают.

Назначение кузнечных переходов

При разработке технологии ковки необходимо стремиться к наименьшему числу переходов, к минимуму отходов металла и получению детали с высокими механическими свойствами.

Выбор оборудования для ковки проводится по требуемой массе падающих частей молотов или усилию пресса в зависимости от размеров заготовки и операции ковки (табл. 2).

Пользуясь каталогами и справочниками, по требуемой массе падающих частей молота можно определить оптимальную марку молота. Однако в практике ремонтных цехов предприятий лесного комплекса, где обычно установлено 1 - 2 молота, расчет сводится к определению возможности ковки заданной заготовки на имеющемся оборудовании.

Таблица 2

Режим нагрева и охлаждения

Режим нагрева поковок принципиально не отличается от нагрева металла для других видов обработки давлением (см. раздел нагрев металла перед горячей обработкой давлением).

Охлаждение поковок после ковки должно быть равномерным и не очень быстрым во избежание образования трещин.

Поковки конструкционных среднеуглеродистых и низколегиро-ванных сталей (стали 25...50, 15Х...45Х) обычно охлаждают на воздухе. Поковки размером до 100 мм инструментальных углеродистых сталей (У7...У112) также охлаждают на воздухе, при больших размерах медленно в штабелях или специальных колодцах.

Термическая обработка готовых поковок применяется для устранения в них крупнозернистой структуры, наклепа, внутренних напряжений и подготовки к механической обработке. Для поковок обычно применяют отжиг (нагрев с последующим медленным охлаждением в печи) или нормализацию (нагрев с последующим охлаждением на воздухе).

2. Горячая объемная штамповка

Объемная штамповка - вид обработки металлов давлением, при котором заготовка деформируется в полости специального инструмента - штампа.

В качестве заготовок для объемной штамповки обычно применяют прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечения, разрезанный на части требуемой длины. Прокат разрезают на мерные заготовки различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механических пилах или газовой резкой.

Изделия, получаемые штамповкой, также как и получаемые ковкой, называют п о к о в к а м и.

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ.

Поковки, полученные штамповкой, по своим размерам и форме ближе к готовым деталям, чем кованые.

Штамповкой можно получать поковки без напусков, допуски в 3...4 раза меньше, чем на кованые. Вследствие этого значительно сокращается объем последующей механической обработки.

Штампованные поковки имеют лучшую шероховатость поверхности. Поэтому в ряде случаев их обработка сводится только к шлифованию мест, соприкасающихся с другими деталями.

Штамповкой можно изготавливать поковки более сложной формы, чем ковкой.

Производительность штамповки значительно выше, чем ковки и составляет десятки и сотни поковок в час.

Механические свойства штампованных изделий обычно выше, чем таких же изделий, изготовленных ковкой. Это объясняется тем, что в штампе легче создать оптимальное расположение волокон в металле.

При всей перспективности штамповки этот процесс по сравнению с ковкой имеет и некоторые недостатки.

Штамп - дорогостоящий инструмент и пригоден только для изготовления поковок одного типоразмера. В связи с этим штамповка экономически целесообразна лишь при изготовлении достаточно больших партий одинаковых поковок (массовое или крупносерийное производство).

Усилия для деформирования металла в штампах требуется больше, чем при изготовлении той же поковки ковкой. Поэтому для штамповки необходимо более мощное оборудование (молоты и прессы).

Штамповкой получаю обычно поковки небольшой массы (0,5...30 кг). Крупные поковки изготавливают методом ковки.

Технологическая схема процесса получения штампованных поковок состоит из следующих операций: разрезка прутков на мерные заготовки, нагрев заготовок, перенос в полость штампа, штамповка, обрезка заусениц (облоя), термическая обработка, осмотр, ремонт дефектов, приемка.

Оборудование и инструмент

Инструмент для штамповки - штампы. Штампы представляют собой стальные бойки с вырезами (ручьями), очертания которых соответствуют конфигурации изготавливаемой поковки. Штампы состоят из двух частей, закрепляемых при помощи "ласточкиного хвоста" в подвижной части молота или пресса (бабе) и штамподержателе. В полость нижней половины штампа кладут нагретую заготовку и затем верхней половиной штампа наносят удары, в результате которых металл заполняет полость штампа.

Штамп изготавливают из инструментальных сталей марок: У8, У10, ЗХВ8, 7ХС, 5ХГС и др. Их подвергают закалке с низким или средним отпуском.

Штамповку осуществляют на штамповочных молотах, прессах и горизонтально-ковочных машинах. В ремонтном производстве предприя-тий лесного комплекса обычно применяют штамповочные молоты.

По своему устройству они похожи на ковочные, но для более точного совпадения при ударе верхнего штампа о нижний шабот с нижней половиной штампа крепится к станине.

Способы горячей объемной штамповки

Характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа. В зависимости от типа штампа штамповку подразделяют на штамповку в открытых и закрытых штампах.

Штамповка в штампах (рис. 1, а) характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор выжимается лишний металл, образуя заусенец, что позволяет не предъявлять особо высоких требований к точности заготовок по массе. Заусенец (облой) затем обрезается в специальных штампах или при механической обработке.

Штамповка в закрытых штампах (рис. 1, б) характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформации остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование заусенца в нем не предусмотрено. При таком способе штамповки необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполнятся углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Следовательно, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, поскольку отрезка заготовки должна производиться с высокой точностью. Существенным преимуществом штамповки в закрытых штампах является уменьшение расхода металла (нет отхода в заусенец).

В ремонтном производстве шире применяется штамповка в открытых штампах как наиболее простая.

Проектирование штампованной поковки

По чертежу детали составляют чертеж поковки.

При получении поковки в открытом штампе необходимо правильно выбрать поверхность разъема. Эта плоскость должна быть выбрана так, чтобы поковка свободно вынималась из штампа. С целью лучшего заполнения полости штампа металлом желательно плоскость разъема выбрать так, чтобы полости штампов имели наименьшую глубину (рис. 2).

Припуски на механическую обработку поковок назначают главным образом на сопрягаемые поверхности детали. Величина припусков зависит от габаритных размеров и массы поковки и выбирается по ГОСТ 7505-89. Допуски на штамповку назначают по тому же ГОСТу.

При выполнении задания упрощенно можно припуск на штампованную поковку брать по табл. 1 для ковки, а допуск ± 1...2 мм.

Штампованные уклоны служат для облегчения заполнения полости штампа металлом и более легкого удаления поковки из штампа. Штампованные уклоны назначаются сверх припуска, они, к сожалению, увеличивают отход металла при механической обработке и утяжеляют поковку. При изготовлении поковок из стали штамповочные уклоны составляют 3...10⁰.

Радиусы закругления в местах пересечения поверхностей поковки необходимы для лучшего заполнения штампа и предохраняют его от преждевременного износа и поломки. Наружные радиусы закругления составляют обычно 1...6 мм, внутренние 4...20 мм.

При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить в поковке сквозное отверстие. Поэтому делают только наметку отверстия (с одной или с двух сторон) с перемычкой - планкой, которая затем удаляется в специальных штампах или при механической обработке. При диаметрах отверстий менее 30 мм наметки в поковках не делают.

Для упрощения формы штампа на отдельных участках поковки могут быть сделаны напуски, которые удаляются при механической обработке.

Пример составления чертежа штампованной поковки дан на рис. 3.

Холодная штамповка из листа

Холодная штамповка из листа - способ обработки металла давлением, при котором металлический лист деформируется в штампе.

Листовой штамповкой изготавливают детали для автомобилей, тракторов, судов, сельскохозяйственных и лесных машин. Она применяется также при изготовлении и ремонте ряда аппаратов в лесохимической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Основные операции листовой штамповки подразделяют на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка, отбортовка и др.).

О т р е з к а - отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах - ножницах или в штампах.

В ы р р у б к а . и . п р о б и в к а. Вырубкой формируют наружный контур детали, а пробивкой - внутренний контур (изготовление отверстий). Для выполнения этих операций, как и в случае прошивки при ковке, применяют металлический пуансон и матрицу. Зазор между пуансоном и матрицей должен составлять (0,05...0,1) S .

Усилие вырубки и пробивки при параллельных плоских рабочих торцах пуансона и матрицы подсчитывают по формуле в МН:

р = L S σ_в

где L - периметр изделия или отверстия, мм;

S - толщина листа, мм;

σ_в - временное сопротивление разрыву разрезаемого металла, МПа.

Г и б к а - операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров. В процессе гибки пластическая деформация сосредоточивается на узком участке, контактирующем с пуансоном. В этой зоне наружные слои, обращенные к матрице, растягиваются, а внутренние, обращенные к пуансону, - сжимаются. Деформация растяжения наружного слоя при определенной его величине может вызвать разрушение металла заготовки с образованием трещин. Это обстоятельство ограничивает минимальный радиус ( r ) пуансона. В зависимости от пластичности материала заготовки r_min = (0,1...2) S .

Усилие одноугловой гибки приближенно можно определить по формуле

B S² σ_в
p = 0,7^{_____________},
r + S

где В - ширина заготовки, мм.

При гибке в штампах можно изменять кривизну на нескольких участках заготовки одновременно.

В ы т я ж к а - операция изготовления полых пространственных изделий из плоской заготовки. Исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы и давят пуансоном на ее центральную часть. При этом центральная часть заготовки смещается в отверстие матрицы и тянет за собой периферийную часть заготовки, которая образует стенки готового изделия.

Для уменьшения концентрации напряжений и опасности разрушения заготовки округляют по радиусу, равному 5...10 толщинам заготовки.

Вытяжка может быть без утонения стенки и с утонением.

При вытяжке без утонения стенки зазор между пуансоном и матрицей должен быть больше толщины заготовки (обычно Z = (1,1...1,3) S ).

При вытяжке с утонением стенки зазор между пуансоном и матрицей должен быть в 1,5...2 раза меньше толщины заготовки.

О т б о р т о в к а - получение бортов (горловин) путем выдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу. Допустимое без разрушения максимальное увеличение диаметра отверстия при отбортовке должно удовлетворять условию

d_σ / d ₀ =1,2...1,8

в зависимости от пластичности материала.

О б ж и м - операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате введения ее в сужающуюся полость матрицы.

Ф о р м о в к а- операция, при которой изменяется форма заготовки в результате выдавливания отдельных ее участков. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т.п.

Разработку процесса холодной листовой штамповки начинают с выбора необходимых технологических операций и определения главной формообразующей операции, по которой ведется расчет размеров заготовки.

Если деталь изготавливают вырубкой, то определяют необходимую ширину полосы (рис. 4). При наличии у детали сложного контура вначале следует продумать расположение деталей по полосе, чтобы расход металла был минимальным. Затем устанавливают величину перемычек как между деталями (а), так и между краями полосы и деталями (а₁). Величина перемычек зависит от толщины металла S. Затем определяют мини-мальную расчетную ширину полосы:

B_{min расч} = D ₃ + 2а, а₁ ≈ а,

где D ₃ - диаметр (ширина) детали, мм.

Рассчитав ширину полосы, выбирают вид стандартного исходного материала (лист, лента, полоса) по ГОСТ 503-74.

Коэффициент использования материала определяют по формуле

где F_дет - площадь детали, мм²;

А - расстояние между центрами соседних деталей, мм;

В - стандартная ширина ленты, мм.

Если деталь изготавливают вытяжкой, то вначале необходимо определить диаметр заготовки D₃, исходя из равенства площадей поверхностей детали и заготовки (рис. 5). Затем проводят расчет заготовки по указанной выше методике.

Если деталь изготавливают гибкой, то ширина полосы задается, а длину определяют как сумму длин прямых и прогнутых участков.

В работе следует сделать все технологические расчеты, указанные в задании, привести схему раскроя и эскиз штампа.

Рис. 4. Схема раскроя деталей при листовой штамповке

(при толщине листа менее 0,8 мм а₁ = а = 2...2,5 мм)

Рис. 5. Схема к определению диаметра заготовки

при изготовлении детали вытяжкой