Определение Массы штамповки

Таблица 4 – Классификация сталей по качеству

Группа	S, % (cера)	Р, % (фосфор)
Обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06	менее 0,07
Качественные	менее 0,04	менее 0,035
Высококачественные	менее 0,03	менее 0,03
Особовысококачественные	менее 0,015	менее 0,025

1.2.2 Влияние легирующих элементов

Описание влияния легирующих элементов на структуру и свойства выбранного материала 40ХНМА.

Влияние углерода.

Углерод содержится в стали в количестве 0,09...0,16%. Он имеет: температуру плавления 3500°С; плотность 2,26 г/см³; кристаллическую решётку ГЦК с параметром a равным 6,79Å. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Известно, что содержание углерода в стали приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Данная сталь как раз и относится к третьей группе относительно высоколегированных сталей с упрочняемой сердцевиной. Сердцевина в таких сталях имеет структуру малоуглеродистого мартенсита. Для того, чтобы сердцевина при этом обладала достаточной пластичностью и вязкостью. Содержание углерода в таких сталях обычно ограничивается нижним пределом менее 0,2% углерода.

Влияние хрома.

Хром (Cr) содержится в стали в количестве 1,9...2,4%. Имеет: температуру плавления 1655°С; плотность 7,1г/см³; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равным 2,86Å. Хром растворяется в и . Максимальная растворимость в =0,5% при 20°С, в =12,8% при 510°С. Хром относится к легирующим элементам, повышающим критические точки Ас3 и Ас1.

Хром понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн) и увеличивает содержание аустенита остаточного. Хром является карбидообразующим элементом: при взаимодействии с углеродом образуются карбиды Cr7C3; Cr26C3, растворяющиеся при нагреве. Хром сильно увеличивает прокаливаемость и снижает критическую скорость закалки. Хром увеличивает прочность, при содержании более 1% снижает пластичность и ударную вязкость. Хром повышает твёрдость цементованного слоя при увеличении его содержания до 2...3%. Дальнейшее увеличение содержания хрома не приводит к повышению твёрдости цементованного слоя, поэтому в данной стали содержание хрома как раз и составляет около 2%. Хром оказывает значительное влияние на изменение концентрации углерода в цементованном слое. При увеличении содержания хрома концентрацию углерода следует повышать. На толщину цементованного слоя и величину зерна хром не влияет.

Влияние никеля.

Никель (Ni) содержится в стали в количестве 0,8...1,2%; имеет: температуру плавления 1455°С; плотность 8,91 г/см³; кристаллическую решётку ГЦК с параметром a равным 3,51Å. Никель растворяется в и . Максимальная растворимость в равна 80%, в никель растворяется неограниченно, то есть является аустентообразователем. Никель понижает критические точки Ас3 и Ас1, повышает критическую точку А4, понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн), увеличивает количество аустенита и уменьшает склонность зерна аустенита к росту.

Сталь, легированная никелем, хорошо обрабатывается резанием, шлифуется и сваривается. Никель несколько уменьшает толщину цементованного слоя, способствует измельчению зерна сердцевины. Изменение содержания никеля от 0 до 2% не оказывает существенного влияния на теплопроводность и твёрдость стали. При содержании 0,8...1,2% в стали 40ХНМА никель обеспечивает хорошие механические свойства. Никель повышает прочность и делает сталь менее чувствительной к пластической деформации. Никель оказывает большое влияние на структуру и свойства цементованного слоя. Он затрудняет диффузию углерода, вызывает уменьшение глубины слоя. В сталь нельзя вводить большое количество никеля, так как уменьшается твёрдость цементованного слоя за счёт образования остаточного аустенита. Никель в комбинации с другими элементами, например с хромом, способствует увеличению прочности при повышенных температурах. Это единственный элемент, который повышая твёрдость и прочность, не снижает пластичность и вязкость.

Влияние вольфрама.

Вольфрам (W) содержится в стали в количестве 1,0...1,4%. Имеет: температуру плавления 3410°С; плотность 19,3 г/см³; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равным 3,16Å. Вольфрам повышает критическую точкуА1, тем самым он сужает - область и расширяет - область.

Вольфрам образует карбид W2C, который при нагреве легко растворяется в аустените. При наличии вольфрама критическая скорость закалки снижается, а прокаливаемость повышается. Уменьшается склонность к росту зерна аустенита, повышается ударная вязкость. Вольфрам намного увеличивает твёрдость цементованного слоя, уменьшает чувствительность к перегреву. Вольфрам измельчает структуру стали и увеличивает содержание углерода в поверхностном слое. Присутствие в стали вольфрама препятствует образованию грубой цементитной сетки, обуславливающей хрупкость поверхностного слоя при увеличении глубины слоя цементации. Вольфрам сильнее хрома повышает устойчивость стали против отпуска. Вольфрам отрицательно влияет на теплопроводность стали. Таким образом, вольфрам, в данной стали повышает твёрдость цементованного слоя.

Влияние ванадия.

Ванадий (V) содержится в стали в количестве 0,18...0,28%. Имеет: температуру плавления 1710 ˚C; плотность 5,96 г/см; кристаллическую решётку ОЦК с параметром a равный 3,03Å. Ванадий повышает критические точки А1 и А3 и понижает критическую точку начала мартенситного превращения. Ванадий задерживает рост зерна аустенита при высоких температурах закалки. Ванадий незначительно повышает концентрацию углерода в цементованном слое. При высоком содержании ванадия глубина цементованного слоя уменьшается. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, способен упрочнять твёрдый раствор. При взаимодействии с углеродом ванадий образует карбид VC и тем самым повышает твёрдость цементованного слоя.

Влияние молибдена.

Молибден с готовностью образует в сталях карбиды. Он растворяется в цементите только немного. Молибден образует карбиды молибдена, как только содержание углерода в стали становится достаточно высоким. Молибден способен обеспечивать дополнительное термическое упрочнение в ходе отпуска закаленных сталей. Он повышает сопротивление сталей ползучести низколегированных при высоких температурах.

Добавки молибдена способствуют измельчению зерна сталей, повышают упрочняемость сталей термической обработкой, увеличивают усталостную прочность сталей. Легированные стали с содержанием молибдена 0,20-0,40 % или такое же количество ванадия замедляют возникновение отпускной хрупкости, но не устраняют ее полностью. Молибден повышает коррозионную стойкость сталей и поэтому широко применяется в высоколегированных ферритных нержавеющих сталях и в хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталях. Высокое содержание молибдена снижает склонность нержавеющей стали к точечной (питтинговой) коррозии. Молибден оказывает очень сильное упрочнение твердого раствора аустенитных сталей, которые применяются при повышенных температурах.

Влияние Кремния.

Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%).

Влияние Марганца

Марганец — как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

 

Влияние Серы

Сера — является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. (От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).

Влияние Фосфора

Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Чтобы обеспечить необходимые требования нужно иметь структуру сорбита отпуска по всему сечению оса диаметром 215 мм с сохранением высокой прочности и твердости 33,5…36 HRС. Так как сталь 40ХНМА флокеночувствительная, в качестве предварительной термической обработки назначается отжиг по антифлокенному режиму. Температуру нагрева определяем по диаграмме изотермического распада аустенита стали 40ХНМА:

1.3 Обоснование выбранного технологического процесса изготовления заготовки

В машиностроении заготовки осей можно получить разными методами: штамповкой, штамповкой на горизонтально ковочных машинах, поперечным прокатом, прессованием, а также с использованием обжатия и выдавливания.

Учитывая форму и размеры детали «Ось», эксплуатационные условия работы, марку материала, а также тип производства среднесерийный выбираем получение заготовки горячей объемной штамповкой.

При выборе вида заготовки учитываются не только эксплуатационные условия работы детали, ее размеры и форму, но и экономичность ее производства. Способ получения заготовки должен быть наиболее экономичным при заданном объеме выпуска деталей. Вид заготовки будет оказывать значительное влияние на характер технологического процесса, трудоемкость и экономичность ее обработки.

Горячая объёмная штамповка – это вид обработки материалов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента – штампа. Течение металла ограничивается поверхностями плоскостей, изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую плоскость (ручей) по конфигурации поковки.

Штамповка имеет ряд преимуществ. Горячей объёмной штамповкой можно получать без напусков поковки сложной конфигурации, которые другим способом изготовить без напусков нельзя, при этом допуски на штамповочную поковку минимальны. В следствии этого, значительно сокращается объём последующей механической обработки, штамповочные поковки обрабатывают только в местах сопряжения с другими деталями, и эта обработка может сводиться только к шлифованию. Производительность штамповки составляет десятки и сотни штамповок в час.

Размеры заготовки «Ось», полученной горячей штамповкой, максимально приближены к размерам готовой детали, вследствие чего за счёт сокращения механической обработки снижается стоимость готового изделия.

Штамповка на горизонтально ковочных машинах. Горизонтально-ковочная машина представляет собой механический кривошипный штамповочный пресс, имеющий разъемную матрицу, одна часть которой является подвижной – зажимной.

Кроме главного деформирующего ползуна, имеется ползун, движение которого перпендикулярно движению главного.

Горизонтально-ковочные машины выбираются по номинальному усилию, которое составляет 1…31,5 МН.

Схема горячей объемной штамповки на горизонтально-ковочной машине показана на рис. 2.

 

Рисунок 2 – Схема горячей объемной штамповки на горизонтально-ковочной машине

 

Штамп состоит из трех частей: неподвижной матрицы 3, подвижной матрицы 5 и пуансона 1, размыкающихся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Пруток 4 с нагретым участком на его конце закладывают в неподвижную матрицу. Положение конца прутка определяется упором 2. При включении машины подвижная матрица 5 прижимает пруток к неподвижной матрице, упор автоматически отходит в сторону, и только после этого пуансон 1 соприкасается с выступающей частью прутка и деформирует ее. Металл при этом заполняет формующую полость, расположенную впереди зажимной части. Формующая полость может находиться только в матрице, только в пуансоне, а также в матрице и пуансоне.

После окончания деформирования пуансон движется в обратном направлении, выходя из полости матрицы. Матрицы разжимаются, деформированную заготовку вынимают или она выпадает из них.

Штамповка выполняется за несколько переходов в отдельных ручьях, оси которых расположены одна над другой. Каждый переход осуществляется за один рабочий ход ползуна. Осуществляются операции: высадка, прошивка, пробивка. За один переход можно высадить выступающий из зажимной части матрицы конец прутка только в том случае, если его длина не превышает трех диаметров. При большей длине возможен изгиб заготовки, поэтому предварительно необходимо произвести набор металла. Набор металла осуществляется в полости пуансона, которой придают коническую форму.

В качестве исходной заготовки используют пруток круглого или квадратного сечения, трубный прокат. Штампуют поковки: стержни с утолщениями и глухими отверстиями, кольца, трубчатые детали со сквозными и глухими отверстиями.

Так как штамп состоит из трех частей, то напуски на поковки и штамповочные уклоны малы или отсутствуют.

К недостаткам горизонтально-ковочных машин следует отнести их малую универсальность и высокую стоимость.

В процессе выполнения происходят объемные и температурные изменения, появляется окалина, искажение формы поверхностей и другие явления, связанные с процессом ковки различных металлов «Так технологические процессы ковки и горячей объемной штамповки выполняются при температурах, находящихся в интервале между температурой плавления и рекристаллизации сплава. При нагрев заготовок, металл становится гораздо более пластичным и снижаются его упругие свойства и сопротивление деформированию.» [3] С помощью этой методики можно получить заготовки достаточно сложной формы.

Принятые в соответствии с нормалями допуски, припуски и напуски на поверхностях заготовки создают большой слой металла, который потом убирается механической обработкой. Механическая обработка поверхностей заготовок является завершающей при изготовлении деталей. Она позволяет получить высокие показатели в отношении качества поверхностей, прежде всего в отношении их точности. Это очень важно, поскольку требования к этим показателям непрерывно возрастают из-за возрастания быстроходности и мощности машин для получения высокоэффективных технологических процессов.

Механическая обработка связана главным образом с процессом резания, т.е. обработкой по снятию слоя материала для придания изделию заданных формы, размеров и обеспечения определенных технологией качества поверхностей. Сущность процесса резания заключается в отделении от заготовки части материала с превращением его в стружку посредством инструмента (например, резца), имеющего острую кромку (режущее лезвие) клиновидной формы.

С целью уменьшения припуска на механическую обработку осев применяют различные методы горячего деформирования материала, при которых, исходным заготовкам придают форму, достаточно близкую к форме готовой детали. С помощью горизонтально-ковочной штамповки можно получить внутренний контур и пробитые сквозные отверстия в заготовке. Что бы уменьшить припуски на механообработку осей, иногда используют ротационное обжатие и ротационное выдавливание при формировании контура исходной заготовки. Этот процесс позволяет улучшить не только структуру металла, но и повысить его механические свойства.

Исходные заготовки осев поступают в механический цех в нормализованном состоянии с твердостью 190…270 НВ. Поверхности исходных заготовок необходимо зачистить от окалины путем травления или с использованием например пескоструйной обработки. Все перечисленные особенности осей в машиностроительном производстве и способы получения исходных заготовок выбираются исходя из экономической составляющей. Чем степень точности исходной заготовки близка к форме готовой детали, тем и определяется основной путь и различные этапы обработки осев в механическом производстве.

Маршрутная схема изготовления детали «Ось» может быть представлена в следующем виде на рис.3.

 

 

Контроль

 

Транспортирование

 

Отрезка заготовки

 

 

Зачистка заусенцев и дефектов

 

 

Контроль заготовок

 

 

Нагрев

 

Штамповка

 

Обрезка облоя Зачистка заусенцев

 

Контроль размеров по чертежу

 

 

Нормализация

 

Контроль ОТК

 

Механическая обработка

 

 

Контроль размеров

Основная Термообработка

 

Окончательная механическая обработка и окончательный контроль

 

Рисунок 3 – Маршрутная схема

1.4 Выбор и расчет основных параметров технологического процесса изготовления заготовки

Исходную заготовку получают методом горячей штамповки на горизонтально ковочной машине. При проектировании исходной заготовки ставилась задача создания минимального припуска по контуру готовой детали. Это позволяет уменьшить трудоемкость на механическую обработку осью, особенно для труднообрабатываемого глубокого отверстия.

Ось является ответственным элементом выполняется по первой группе контроля. Механические свойства материала проверяются у каждого оса. В связи с этим для каждой исходной заготовки предусматривается изготовление специального технологического кольцевого образца, который расположен на фланце исходной заготовки. На первом этапе технологического процесса механической обработки данный образец вырезается и направляется в лабораторию для анализа качественных показателей материала. Заключение по качеству материала исходной заготовки определяет возможность дальнейшей обработки оса. Далее проведем расчет поковки, согласно ГОСТГОСТ 7505-89 – «Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски».

Исходные данные по детали: материал – сталь 40ХНМА (по ГОСТ 4543-2016), химический состав стали приведен в таблице 1, масса детали – 10,1 кг.

Выбор типа штампа. Для данной детали выбираем штамповочное оборудование – Горизонтально-ковочная машина.

Назначение класса точности в зависимости от способа изготовления штамповки. Класс точности для горячештамповочного аппарата Т4,Т5, принимаем Т4.

Определяется группа сталей по химическому составу сталей.

– M 1 - сталь с массовой долей углерода до 0,35 % включ. и суммарной массовой долей легирующих элементов до 2,0 % включ.;

– М 2 - сталь с массовой долей углерода свыше 0,35 до 0,65 % включ. или суммарной массовой долей легирующих элементов свыше 2,0 до 5,0 % включ.

– М 3 - сталь с массовой долей углерода свыше 0,65 % или суммарной массовой долей легирующих элементов свыше 5,0 %

Для данной стали 40ХНМА – группа сталей М2.

Определение сложности штамповки.

 

 

где –масса поковки, кг;

– масса геометрической фигуры, кг.

 

 

В данном случае С = 0,3 следовательно выбираем степень сложности С₃.

Для поковок, полученных на горизонтально-ковочных машинах, допускается определять степень сложности формы в зависимости от числа переходов:

– С 1 - не более чем при двух переходах;

– С 2 - при трех переходах;

– С 3 - при четырех переходах;

– С 4 - более чем при четырех переходах или при изготовлении на двух ковочных машинах.

Определение Массы штамповки

где К_р= 1,5-1,8, для нашего случая берем К_р = 1,8.