Горячая объемная штамповка

Пермский государственный технический университет

Кафедра «Сварочного производства и технологии конструкционных материалов»

 

 

	²УТВЕРЖДАЮ² Заведующий кафедрой д.т.н., профессор _______________ Ю.Д. Щицын   ²_____² ______________ 20__ г

 

 

ЛЕКЦИЯ № 10

 

По дисциплине

 

Технология конструкционных материалов

(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ)

 

 

Механико-технологический факультет

(для специальности ТМСб)

Тема: «Виды ОМД»

(наименование темы лекции)

 

	Кандидат технических наук, доцент (фамилия и инициалы автора) Долинов Д.Л.
		Обсуждены на заседании кафедры ² ² ________20 ___ г Протокол №

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Приветствие, проверка наличия и готовности студентов к занятию, соблюдения порядка в аудитории. Объявление темы, цели, учебных вопросов лекции, ее актуальности и значимости для выбранной профессии Доведение списка литературы по материалу лекции.

 

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

 

Прессование и волочение.

Ковка.

Холодная штамповка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Доведение основных выводов по теме лекции и ее значение для будущей профессиональной деятельности. Доведение задания на самоподготовку, ответы на вопросы.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: «Высшая школа», 2001. – 638 с.

1. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: МИСиС, 1996. – 576 с.
2. Губарева Э.М. Основы технологических процессов получения изделий (заготовок) различными способами : учеб. Пособие. – Пермь, ПГТУ, 2007. – 214 с.

 

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

 

1. Наглядные пособия:

- Комплект слайдов по теме лекции, плакаты.

 

2. Технические средства обучения:

- Графопроектор.

 

3. Приложения:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

(при необходимости)

 

 

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ

Первый учебный вопрос.

Прессование

Прессование заключается в выдавливании металла из замкнутого объема через отверстие в матрице. Профиль прессованного изделия соответствует сечению этого отверстия. Прессование - высокопроизводительный и экономичный способ обработки металлов и сплавов, которым можно получать сплошные и полые профили (рис.1 а). Прессованные изделия более точны, чем катаные.

Прессованием получают прутки диаметром 5…250 мм, проволоку диаметром 5…10 мм, трубы с наружным диаметром 20…400 мм и толщиной стенки 1,5…12 мм и другие изделия.

Прессование металла происходит в условиях всестороннего неравномерного сжатия. При такой схеме деформирования металл наиболее пластичен. Поэтому можно обрабатывать как пластичные, так и малопластичные сплавы: медные, алюминиевые, магниевые, титановые, углеродистые и легированные стали и др.

Инструмент для прессования изготовляют из высококачественных инструментальных сталей и жаропрочных сплавов. Износ инструмента уменьшают применением специальных смазочных материалов.

Методы прессования

Исходной заготовкой для прессования является слиток или круглый прокат. Различают прямое и обратное прессование.

При прямом прессовании (рис.1, б) направление выхода металла через отверстие матрицы 5 совпадает с направлением движения пуансона 1. Часть заготовки, которая остается в контейнере 4, называют пресс-остатком. Составляет обычно 8…12 % от массы слитка.

При прессовании труб заготовка сначала прошивается иглой 6 (рис.1, в), проходящей через полый пуансон 1. При дальнейшем перемещении пуансона и пресс-шайбы 2 металл выдавливается в виде трубы 3 через кольцевой зазор между стенками отверстия в матрице 5 и иглой.

При обратном прессовании (рис.1, г) матрица 5 устанавливается в конце полого пуансона 1 и металл вытекает в направлении, обратном перемещению пуансона. Этот метод характеризуется меньшими отходами (пресс-остаток составляет 6…10 %) и меньшим усилием прессования, но более сложное оборудование.

Оборудованием для прессования служат горизонтальные и вертикальные гидравлические прессы давлением жидкости до 40 МПа.

Волочение

Волочение заключается в протягивании (чаще всего в холодном состоянии) прокатанных или прессованных заготовок 2 через отверстие в матрице 1 (волоке), поперечное сечение которого меньше поперечного сечения заготовки (рис.2).

Волочением обрабатывают различные марки стали, цветные металлы и их сплавы. Сортамент изделий, изготовляемых волочением: проволока диаметром 0,002…10 мм, фасонные профили. Волочением калибруют стальные трубы диаметрами от капиллярных до 200 мм, с толщиной стенки 0,1…10 мм, стальные прутки.

Исходными заготовками для волочения служат прокатанные или прессованные прутки и трубы из стали и цветных сплавов.

Волочение осуществляют в условиях холодной деформации, металл упрочняется. Для восстановления пластичности упрочненный волочением металл подвергают промежуточному отжигу.

Инструмент и оборудование для волочения. Инструментом для волочения служит волочильная матрица (волока), рис. 2. Волоки могут быть цельными, составными и роликовыми. Цельная волока имеет отверстие (очко), состоящее из четырех зон: смазочной воронки 1, рабочего конуса 2, калибрующего пояска 3 и выходного конуса 4. Угол рабочего конуса зависит от деформируемого материала и составляет 6…12°. Ширина калибрующего пояска обычно 2…10 мм. Рабочая часть матрицы изготавливается из инструментальных сталей, твердых сплавов и технических алмазов.

При протягивании прутка через отверстие с силой Р возникают силы реакции N, которые обжимают заготовку.

Степень обжатия , где F₁ и F₂ - площади поперечного сечения соответственно до и после волочения, допускаемая за один проход, зависит от материала - для сталей 10…19 %, для цветных металлов - до 36 %. Чтобы не было обрывов, напряжение при волочении не должно превышать 0,6 предела прочности материала заготовки. Для получения профилей необходимых размеров производят волочение за несколько проходов.

Волочение производят на барабанных и цепных волочильных станах. Барабанные станы служат для волочения проволоки, труб небольшого диаметра, наматываемых в бунты. Кроме станов для однократного волочения существуют станы для многократного волочения. Они имеют до 20 барабанов с установленными перед каждым из них волоками. На цепных станах, тянущее устройство совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение. Такие станы применяют для волочения прутков и труб, которые нельзя наматывать в бунты.

Волочение труб

Перед волочением с заготовки удаляют окалину. Затем на заготовку наносят смазку. Составляют маршрут волочения (показывает последовательное изменение размеров заготовки). Степень обжатия для каждого прохода берется одинаковой, и по ней определяются их количество и диаметры калибрующих поясков отверстий волок. Волочение производят без промежуточного отжига. Волочение труб производят двумя способами: 1) для уменьшения только диаметра трубы - без оправки; 2) для одновременного уменьшения диаметра и толщины стенки трубы.

Второй учебный вопрос.

Ковка

Ковка - процесс деформирования нагретой заготовки 2 между верхним 1 и нижним 3 бойками молота (рис. 3, а). Кованые заготовки называют поковками. Ковкой получают поковки массой от 0,1 кг до 300 т. Крупные поковки (массой выше 1,5 т) получают из слитков только ковкой. Меньшие поковки можно получать также штамповкой. Но штамповка из-за сложности инструмента применяется только в крупносерийном производствах.

Виды операций ковки и инструмент. Самую сложную поковку можно получить, выполняя основные операции ковки: протяжку, осадку, прошивку, гибку, закручивание, рубку.

Протяжку (вытяжку) применяют для увеличения длины заготовки и уменьшения ее поперечного сечения (рис.3, б). Протяжку можно выполнять плоскими и фигурными бойками. Степень деформации характеризуется отношением поперечного сечения исходной заготовки к конечному сечению, называемому уковкой. Чем больше уковка, тем лучше структура металла и выше его механические свойства. Разновидности протяжки: разгонка (расширение части заготовки); протяжка полого цилиндра на оправке (при ковке, труб, цилиндров); раскатка (раздача) колец для увеличения диаметра (рис.3, г).

Осадка - увеличение поперечного сечения исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты (рис.3, а). Для правильной осадки высота исходной цилиндрической заготовки не должна превышать трех диаметров, торцы должны быть ровными и параллельными. Местное утолщение заготовки называется высадкой (рис.3, д).

Прошивка - получение в заготовке сквозного отверстия или углубления. Для выполнения этой операции применяют сплошные и пустотелые прошивни 1 (рис.3, е). Прошивку сквозных отверстий в тонких поковках 3 производят с подкладными кольцами (рис.3, ж). В более высоких поковках сначала прошивают отверстие с одной стороны (примерно на ¾ глубины), а затем этим же прошивнем заканчивают прошивку с другой стороны (рис.3, з).

Гибка применяется для изготовления крюков, коленвалов, скоб и т.п. При выборе исходной заготовки надо учитывать искажение формы и уменьшение площади поперечного сечения (утяжку) в зоне изгиба. При гибке могут использоваться подкладки и специальные приспособления (рис.3, и).

Закручивание - поворот одной части заготовки относительно другой на заданный угол - применяется при изготовлении коленвалов, сверл и т.п. При закручивании используют ключи, воротки, лебедки (рис.3, к).

Рубка применяется для разделения заготовки на части, отделения излишка металла. Инструментом для рубки служат прямые и фигурные топоры и зубила 4 (рис.45, л).

Оборудование для ковки

Ковочные молоты. Молоты создают динамическое (ударное) воздействие инструмента (верхнего бойка) 6 на заготовку. Продолжительность деформации при ковке на молотах 10^-3с, а скорость деформирования - 6…6,5 м/с. Наибольшее применение получили паровоздушные молоты. Такие молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7…0,9 МПа. В зависимости от конструкции станины паровоздушные ковочные молоты бывают арочные, мостовые и одностоечные. Молоты могут совершать удары с разной энергией, зажимать поковки между бойками. Ковочные паровоздушные молоты имеют массу падающих частей 1000-8000 кг. На этих молотах изготовляют поковки средней массы (20-350 кг).

Гидравлические прессы. Прессы отличаются от молотов тем, что они оказывают статическое воздействие на заготовку. Продолжительность деформации доходит до десятков секунд, а скорость деформирования составляет 2…3 м/мин.

Необходимое для деформации усилие создается с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла), поступающей под давлением 20…30 МПа. Гидравлические прессы изготовляют с максимальным усилием 5…150 МН. Они чаще используются при ковке малопластичных высоколегированных сталей и сплавов цветных металлов.

Горячая объемная штамповка

Объемная штамповка - процесс изготовления поковок в штампах, при котором течение металла в стороны во время деформирования ограничено поверхностями штампа. Рабочая полость штампа при его замыкании называется ручей, и соответствует форме поковки.

По сравнению со свободной ковкой ГОШ имеет ряд преимуществ:

1) в 50…100 раз большая производительность;

2) большая точность поковок (припуски на поковку в 3…4 раза меньше, чем при ковке), значительно уменьшается расход металла в стружку;

3) возможность получения поковок сложной формы без напусков;

4) высокое качество поверхности.

5) на одном штампе в зависимости от материала, сложности и массы заготовки можно изготовить от 10 до 25 поковок;

5) штампованные поковки обрабатывают только в местах сопряжения с другими деталями, и эта обработка сводиться только к шлифованию.

В качестве заготовок для ГОШ применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей.

Недостатки объемной штамповки: сложность и дороговизна штампа, ограниченность массы поковок (0,3…100 кг), усилия деформирования при штамповке гораздо выше, чем при ковке. Наиболее эффективна объемная штамповка в крупносерийном и массовом производствах.

Виды штампов и способы штамповки. Различают объемную штамповку в открытых и закрытых штампах.

Штамповка в открытых штампах. В открытых штампах (рис.4, а) между подвижной 3 и неподвижной 4 частями штампа имеется зазор 8 - заусеночная канавка, в которую вытекает избыточный объем 7 металла заготовки 2. Образующийся при этом заусенец (облой) затем обрезается.

Штамповка в закрытых штампах (рис.4, б) полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной 3 и неподвижной 4 частями штампа небольшой, и образование заусенца в нем не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя - выступ (на прессах) или наоборот (на молотах). При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполнятся углы полости, а при избытке металла размер поковки по высоте будет больше требуемого. Преимущество штамповки в закрытых штампах - уменьшение расхода металла, более благоприятная макроструктура, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются, металл деформируется в условиях всестороннего сжатия при бóльших сжимающих напряжениях, чем в открытых штампах. Это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

Сложные поковки с резкими изменениями сечения по длине изготовляют в многоручьевых штампах с последовательным деформированием заготовки с постепенным приближением ее к окончательной форме. Ручьи штампов в многоручьевых штампах разделяют на заготовительные и штамповочные. Заготовительные ручьи предназначены для получения заготовки. Штамповочные ручьи бывают черновые и чистовые. Форма чернового ручья такая же, как у чистового, но радиусы закруглений и штамповочные уклоны несколько больше. Чистовой ручей - точное отображение поковки, но с размерами бóльшими на величину усадки металла при остывании (около 1,5 %).

Отделка поковок

Все поковки, штампуемые в открытых штампах, имеют заусенец в плоскости разъема, а в поковках с внутренними отверстиями остаются пленки между наметками. Обрезку заусенца и пробивку пленок выполняют с помощью штампов.

Готовые поковки подвергают правке, термообработке, очистке от окалины и калибровке. Правка производится с целью устранения искривления оси и искажения поперечного сечения поковок. Термообработка (отжиг, нормализация) снимает остаточные напряжения в поковке и улучшает обрабатываемость резанием. Очистка от окалины производится во вращающихся барабанах, на дробеметных установках и травлением в 15-18 %-м растворе серной кислоты.

Калибровка повышает точность поковки.