Признаки типов кузнечно-штамповочного производства
| Тип производства | Годовой объём выпуска поковок, шт/год | Число типов заготовок, шт | ||
| Мелкие (до 1 кг) | Средние (1…10 кг) | Тяжёлые (10…100 кг) | ||
| Единичное и мелкосерийное | Менее | Менее | Менее | и более |
| Серийное | 50000… | 10000… | 2000… | 6…12 |
| Крупносерийное и массовое | Более | Более | Более | 1…5 |
При определении массы подвижных частей штамповочного молота ориентируются на последний удар, когда полость окончательного ручья заполнена и металл вытекает в облойную канавку. Для пневматического молота двойного действия применяют формулу Г. Гофмейстера:
Мпч = (5…6) Fп ,
где Мпч – масса подвижных частей молота, кг; Fп – площадь проекции поковки в плане, см2.
Основные параметры пневматических штампо-вочных молотов и ориентировочные данные о необходимой массе подвижных частей приведены в таблице [4-7].
Таблица
Параметры пневматических штамповочных молотов (ГОСТ 7024-75) [6, т.2]
| Параметр | Масса падающих частей, т | |||||||
| 0,63 | 3,15 | |||||||
| Энергия удара, кДж не менее | ||||||||
| Число ударов в минуту | ||||||||
| Масса поковок, кг | 2,5 |
Кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП) предназначены для штамповки поковок из прокатного пруткового материала или фасонного проката в открытых штампах, а также в закрытых штампах выдавливанием.
Таблица
Параметры кривошипных горячештамповочных прессов (ГОСТ 6809-70)
| Параметр | Норма | ||||||
| Номинальное усилие пресса, МН | 6,3 | ||||||
| Ход ползуна, мм | |||||||
| Частота ходов, мин-1 | |||||||
| Наименьшее расстояние Н, мм | |||||||
| Масса поковки, кг | до 1 | 1-2,5 | 2,5-4 | 7-12 | 18-22 | 30-50 | - |
Усилие штамповки на прессе (МН) определяется выражением
P = y pуд F,
где y = масштабный коэффициент, для мелких поковок из штучных заготовок y = 1; pуд – удельное давление прессования (МПа), определяемое для наиболее нагруженного перехода (осадки); F – площадь поперечного сечения заготовки в зоне деформации, м2.
,
где 
– предел текучести материала (МПа) при температуре окончания штамповки [3]; D – средний диаметр заготовки после деформации, мм; H – высота заготовки после деформации, мм.
Таблица
Предел прочности материалов в (МПа) при различных температурах[1]
| Материал | Температура, °С | |||||
| 12ХН3А | ||||||
| Ст6сп | ||||||
| 20Х | ||||||
| 40Х | ||||||
| 30ХМА | - | |||||
| У7 | ||||||
| 30ХГСА |
Практикой установлено, что 1 тонна подвижных частей молота приблизительно соответствует усилию пресса, равному 10 МН. Следовательно, если поковку штампуют на молоте с массой подвижных частей 1 т, то для её штамповки на прессе потребное усилие составит 10 МН.
Определить допустимое усилие пресса при любом расстоянии ползуна от крайнего нижнего положения можно по формуле:
,
где Р – допустимое усилие пресса (Н) при недоходе ползуна ha (м) от крайнего нижнего положения; Н – полный ход ползуна, м; Рн – номинальное усилие пресса по паспорту, Н.
При закрытой штамповке масса подвижных частей молота и усилие пресса рассчитывают по тем же формулам с последующим уменьшением полученного значения на 20…25%.
Основные параметры горизонтально ковочных машин (ГКМ) приведены в ГОСТ 7023-70. Усилие ГКМ при штамповке в открытых штампах определяется по формулам для расчета усилия КГШП. При штамповке в закрытых формовочных и прошивных ручьях усилие ГКМ (МН) [3]:
где k = 2…8 – коэффициент, определяемый по табл.4, стр. 258 [6, т.2]; 
– предел прочности штампуемого материала (МПа) при температуре окончания штамповки; D – диаметр поковки, м2.
Главный ползут 7, несущий пуансон, приводится в движение от кривошипного вала 6 с помощью шатуна 5. Подвижная щека 1 приводится от бокового ползуна 3 системой рычагов 2; боковой ползун приводится кулачками 4, сидящими на конце кривошипного вала машины.
Штампы для ГОШ. При объёмной штамповке формообразование
Р и с. 3.1. Схемы штамповки:
а – на молоте в открытом штампе; б – на молоте в закрытом штампе;
в – на прессе в открытом штампе; г – на прессе в закрытом штампе;
1 – заготовка; 2 – поковка; 3 – выталкиватель
заготовки происходит в полости (ручье) специального инструмента – штампа. В зависимости от типа штампа различают штамповку в открытых и закрытых штампах (рис. 3.1), в штампах для выдавливания (рис. 3.2).
Р и с. 3.2. Схемы штамповки в штампах
для прямого (а) и обратного (б) выдавливания:
1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – поковка; 4 – выталкиватель
Р и с. 3.3. Схемы штамповки выдавливанием в разъёмных матрицах:
поперечный (а), продольный (б) и смешанный (в) разъём матриц
Перспективно применение штамповки выдавливанием в разъёмных матрицах (рис. 3.3). Тонкие элементы поковки при штамповке на молоте целесообразно располагать в наиболее прогретом верхнем ручье, а при штамповке на прессе по этой же причине – в нижнем ручье штампа.
Поверхность разъема в открытом штампе располагают вблизи середины толщины поковки; в закрытом штампе поверхность разъёма совмещают с одной из торцовых поверхностей поковки: нижней – при штамповке на молоте, верхней – при штамповке на прессе (см. рис.3.1). Штампы ГКМ имеют две плоскости разъёма.
Разработка технологических переходов штамповки
Штампованные поковки можно разделить на две основные группы – с вытянутой осью и симметричные в плане. К первой группе относятся поковки типа шатунов, рычагов, гладких и ступенчатых валов; ко второй – поковки фланцев, колец, зубчатых колёс и т. п. Поковки с вытянутой осью обычно штампуют поперёк оси заготовки (плашмя); осесимметричные в плане поковки изготовляют штамповкой вдоль оси (в торец). Обработку заготовки в одном ручье называют переходом штамповки (количество ручьёв в штампе обычно соответствует количеству переходов штамповки).
Операцией называют законченную часть технологического процесса, включающую в себя все переходы объёмной штамповки, совершаемые за один нагрев независимо от количества используемых при этом кузнечных машин.
Все переходы горячей объёмной штамповки можно разделить на три основные группы заготовительные, штамповочные и разделительные (см. рис.). 
Заготовительные переходы необходимы для перераспределения металла исходной заготовки в соответ-ствии с формой поковки. Штамповочные переходы необходимы для получения окончательно оформленной поковки. Разделительные переходы (отрубные, обрезные, отрезные и пробивные) необходимы для
отделения поковки от прутка, обрезки облоя и пробивки отверстий; они выполняются в соответствующих ручьях тех же штампов, в которых проводят штамповку. На рис. показаны эскизы технологических перехо-дов открытой штамповки в торец на молоте для получения осесимметрич-ной поковки диска.
а – исходная заготовка; б – осадка; в – окончательная штамповка; г – обрезка облоя; д - пробивка пере-мычки; е –плоскостная калибровка.
При разработке техпроцесса штамповки на ГКМ необходимо соблюдать следующие правила бездефектной высадки за один переход:
1. бездефектная высадка деформируемой части прутка плоским пуансоном возможна при условии, если длина l выступающего конца заготовки меньше трех диаметров прутка (l<3d) (рис. а);
2. если l 3d, то наибольший диаметр ограничивающей полости ручья матриц или пуансона D 1,5d (рис. б);
3. при высадке в матрицах части прутка длиной l > 3d и соблюдении второго правила D 1,5d выступающий за пределы матриц конец прутка не должен быть больше диаметра, т.е. l1 d (рис. в);
4. при наборе металла в конической части пуансона (рис. г)с диаметром меньшего основания d1d при диаметре большего основания D 1,5d допускается длина свободной части прутка l1 2d, а при D 1,25d допускается l1 3d.
Выбор способа нагрева, термического режима
штамповки и охлаждения поковки [1,3,20]
В кузнечных и термических цехах для нагрева металла применяют нагревательные печи и электронагревательные устройства. В печах передача теплоты металлу заготовок происходит излучением от нагретых стен печи и конвекцией. В электронагревательных устройствах теплота выделяется в самой заготовке.
Всякая печь имеет нагревательную камеру, выложенную огнеупорным материалом. Нижняя часть камеры, на которую укладываются заготовки, называется подом печи. Печи подразделяют на пламенные, работающие на жидком и газообразном топливе, и электрические, в которых источником энергии нагрева является электроэнергия. По характеру распределения температур в рабочем пространстве печи делятся на две группы: камерные печи с одинаковой температурой по всему рабочему пространству – и печи, у которых температура в рабочем пространстве повышается от места загрузки заготовок к месту их выдачи – методические печи. Электропечи сопротивления конструктивно выполнены так же, как и пламенные печи, но вместо форсунок или горелок в стенах монтируют металлические или карборундовые элементы сопротивления, подключаемые к силовой электросети. Сопротивления при нагреве излучают теплоту, которая передается стенкам печи и заготовкам. Такие печи применяют для нагрева под обработку давлением цветных сплавов; для стали этот нагрев является дорогостоящим.
Электронагревательные устройства делятся на индукционные, контактные и устройства нагрева в расплавах солей.
В кузнечных индукционных нагревателях (а) (КИН) заготовку 1 помещают внутрь многовиткового индуктора 2, выполненного из полой медной трубки прямоугольного сечения. По индуктору пропускают переменный ток, и в заготовке, помещенной в переменное электромагнитное поле, возникают вихревые токи Фуко, нагревающие её. При нагреве заготовок диаметром до 150 мм применяют ток повышенной частоты (500-8000 Гц); при нагреве заготовок большего диаметра применяют ток промышленной частоты 50 Гц.
В устройствах электроконтактного нагрева (б) концы заготовки 1 зажимают между медными контактами 3, к которым подводится ток большой силы. По закону Джоуля-Ленца в заготовке выделяется теплота, пропорциональная квадрату силы тока. Электроконтактный нагрев рационально применять для удлиненных заготовок длиной L > 1,5D2, где D 7,5 см.
В расплавах солей нагревают мерные заготовки, используемые для изготовления точных поковок из высоколегированных сталей (заготовки сверл, малоразмерные кольца подшипников и т.п.). Для нагрева применяют смеси солей ВаCl2-30%; NaCl-70%. Заготовки погружают в расплав 1 в специальном контейнере 2, либо при частичном нагреве по одной устанавливают в специальных захватах. По мере износа электродов 4 специальный механизм 5 обеспечивает подачу их через отверстия в футеровке 3. Температура расплава при применении солей бария около 1300 °С.
В условиях единичного и мелкосерийного производства поковок экономически оправдано применение пламенного нагрева. Преимуществами электрического нагрева и нагрева в расплавах солей являются высокая скорость, отсутствие окалины и равномерность прогрева заготовок. Электрический нагрев и нагрев в жидкостях применяются в основном в условиях крупносерийного или массового производства поковок.
Для правильного установления температуры нагрева металла перед штамповкой необходимо знать её влияние на свойства металла. Прочность стали, характеризующая её сопротивление деформированию, с повышением температуры уменьшается. Это позволяет уменьшить потребное давление (усилие) для изменения формы металла в ручьях штампа.
Область температур, при которых металл находится в наиболее пластичном состоянии и обладает наименьшим сопротивлением пластической деформации, называется температурным интервалом горячей обработки давлением. Максимально допустимую температуру нагрева перед штамповкой (верхний предел) Тв для углеродистых сталей можно приближенно определить по диаграмме состояния «железо-углерод»:
Тв = Тс –(150°…200°),
где Тс – температура, соответствующая линии солидуса диаграммы состояния «железо-углерод», °С (см рис.).
Линия АСD – линия ликвидуса, выше неё все сплавы находятся в жидком состоянии; линия АЕСF – линия солидуса, ниже неё все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия PS – линия нижних критических точек А1, линия GS- линия верхних критических точек А3, линия SE – линия верхних критических точек Аm.
Для каждого металла в зависимости от его химического состава установлены вполне определённые температурные интервалы горячей штамповки, приведенные в [3,22 ].
При охлаждении поковок происходит уменьшение их объёма, изменение состава и величины зерен металла в процессе структурно-фазовых превращений. Охлаждение поковок необходимо вести с такой скоростью, которая обеспечивает полное устранение возможности возникновения внутренних напряжений, обусловленных неравномерным их остыванием по толщине. Режим охлаждения устанавливается в зависимости от химического состава металла, максимального поперечного сечения поковки и вида исходного металла (прокат или слиток). Чем более легирована и менее вязка сталь, тем медленнее должно вестись её охлаждение. Охлаждение поковок ведётся тремя способами: на воздухе, в колодце и вместе с печью. Режимы охлаждения поковок приведены в таблице [3].
Термообработка поковок
Для снятия внутренних напряжений, улучшения структуры, получения требуемой твердости применяют следующие виды термической обработки стальных поковок: отжиг, нормализация, закалка, улучшение и отпуск. На рис.2 приведены температурные области термообработки стальных поковок с различным содержанием углерода.
Отжиг – нагрев доэвтектоидной стали выше точек А3, заэвтектоидной стали – выше Аст и выдержка с последующим охлаждением вместе с печью.
Нормализация – нагрев выше линии А3 или А1, выдержка и охлаждение на воздухе.
Закалка – нагрев выше точек А3 или А1, выдержка и быстрое охлаждение в воде или масле. После закалки получается пересыщенный твердый раствор углерода в -железе с искаженной структурой, называемой мартенситом.
Отпускзаключается в нагреве металла ниже критических точек PS, выдержке и охлаждении на воздухе. Различают высокий отпуск (нагрев до T=450-650° и охлаждение для получения структуры сорбита отпуска), средний отпуск (нагрев до T=350-450° и охлаждение для получения структуры троостита отпуска) и низкий отпуск (нагрев до Т<250°С и охлаждение для получения структуры мартенсита отпуска и частичного снятия внутренних напряжений). Закалку с высоким отпуском называют улучшением.
Виды и режимы термообработки поковок из цветных сплавов приведены в [3,20].