Горячая объемная штамповка

Горячая штамповка по сравнению с ковкой обладает рядом преимуществ. Прежде всего, значительно более высокая производительность, в десятки раз превышающая производительность свободной ковки; высокая точность и качество поверхности штампуемых поковок. При этом резко сокращается дальнейшая чистовая обработка резанием. Применение горячей штамповки взамен ковки обеспечивает массовый выпуск дешевой продукции благодаря значительному снижению расхода металла на поковки и трудоемкости их дальнейшей обработки.

Штамповкой получают детали исключительно сложной формы. Однако необходимо учитывать, что штамп годен только для изготовления той поковки, для которой он спроектирован, в отличие от универсального инструмента свободной ковки. Поэтому применение штамповки экономически выгодно лишь при серийном или массовом производстве. Горячую объемную штамповку применяют в машиностроении и других отраслях промышленности для изготовления сложных по форме заготовок ответственных деталей машин из стали, цветных металлов и их сплавов.

Применяют два основных метода штамповки: в открытых штампах, с образованием облоя, и в закрытых штампах – безоблойную.

Штампы представляют собой массивные толстостенные детали, в которых выполнены рабочие полости – гравюры, формообразующие поковку. Штамп состоит минимум из двух частей – половин. Поверхность совпадения частей штампа называют поверхностью разъема. Штамп, состоящий их нескольких частей, каждая из которых имеет часть общей гравюры, называют многоразъемным.

Различают открытые и закрытые штампы. В простейшем случае открытый штамп (рис. 5 а) для цилиндрической детали имеет гравюру в одной половине, а вторая половина является плоским бойком. Если объем заготовки в точности равен объему полости гравюры (поковки), то заполнение гравюры будет идеальным (см. рис. 5 б, в), однако практически трудно получить заготовку точного объема, поэтому ее выполняют несколько большей, чтобы гарантировать заполнение гравюры, как показано на рис. 5 г…е. Избыток металла вытекает в разъем штампа в виде облоя (заусенца). Такую штамповку называют облойной, а штамп – облойным. Облой является отходом и подлежит удалению.

Поковка, упруго разжимая штамп в момент штамповки, сильно охватывается им после снятия нагрузки. Чтобы легче извлечь поковку из штампа его стенки делают наклонными к разъему. Штамповочный уклон a остается в виде напуска на теле поковки.

Закрытые штампы отличаются тем, что гравюра выполняется в одной из половин штампа, а вторая половина входит в первую, запирая ее. В таком штампе весь объем металла заготовки остается в поковке. Выход для облоя не предусмотрен. Штамп и штамповку называют безоблойными. Штампы подвергают чрезвычайно высоким нагрузкам – механическим и тепловым. При штамповке стали удельные усилия на поверхности гравюры достигают 1 Гн/м² (100 кГ/мм²), а температура на контакте с поковкой составляет 700…800 °С. Поэтому штампы изготовляют из закаленной и отпущенной штамповой стали, легированной хромом, никелем, вольфрамом, молибденом, ванадием и т.п. Стойкость горячих штампов невелика – 3000…10000 штук поковок. Учитывая высокую стоимость штампа, следует отметить, что горячая штамповка выгодна

только для достаточно больших партий деталей (тысяч и десятков тысяч штук).

Штамповку производят на различных машинах: штамповочных молотах, кривошипных горячештамповочных прессах, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных и горизонтально-гибочных машинах, ковочных вальцах и др.

Из штамповочных молотов наибольшее применение получили паровоздушные молоты двойного действия и приводные фрикционные молоты простого действия.

Паровоздушные штамповочные молоты имеют аналогичный ковочным молотам принцип действия. Они отличаются от ковочных молотов наличием двухстоечной станины непосредственно на шаботе, а также усиленными регулируемыми направляющими для движения бабы, что обеспечивает необходимую точность соударения штампов. Масса падающих частей паровоздушных штамповочных молотов обычно не превышает 20…30 тонн. Молоты – относительно дешевое оборудование.

Приводные фрикционные молоты имеют ряд конструктивных разновидностей. Наибольшее распространение получили фрикционные молоты с доской, имеющие массу падающих частей до 5 тонн. Схема фрикционного молота показана на рис. 6. Баба 1 прикреплена к деревянной доске 2. Верхняя часть доски входит в зазор между двумя чугунными роликами 3, которые получают вращение от электродвигателя через какую либо передачу. Ось одного ролика закреплена неподвижно, а ось другого ролика с помощью специального механизма получает возвратно-поступательное движение. Таким образом, подвижный ролик может прижимать доску к ролику с неподвижной осью. Ролики зажимают доску с силой, достаточной для возникновения силы трения, большей, чем масса падающих частей. Поэтому при сведенных роликах доска вместе с бабой перемещаются вверх. Ролики разводятся при подходе доски к крайнему верхнему положению, после чего падающие части ее перемещаются по инерции до крайнего верхнего положения, затем движутся вниз. Молот имеет тормозной механизм с двумя колодками 4, которым штамповщик управляет с помощью педали 5. Когда педаль отпущена, колодки 4 заклинивают доску и баба может удерживаться на весу. При непрерывно нажатой педали молот автоматически наносит удары через равные промежутки времени.

Фрикционные молоты имеют более низкую производительность, чем паровоздушные. Их конструкция, кроме того, не позволяет регулировать энергию удара в процессе штамповки, что очень важно, если поковка сложной формы. Поэтому фрикционные молоты получили меньшее распространение, чем паровоздушные.

Как правило, молотовые штампы делают монолитными с одной поверхностью разъема и без выталкивателей. Обе половины штампа закреплены в подушке и бабе забивными клиньями. Обычная штамповка на молоте – облойная ввиду отсутствия выталкивателей и ведется за несколько ударов.

Когда поковка несложной формы, ее штампуют сразу из проката (квадрат, круг, полоса). Для поковок сложной формы исходную заготовку изготовляют специально, чтобы получить максимальное подобие конфигурации заготовки и поковки. Эти операции производят свободной ковкой или штамповкой. Часто применяют многоручьевые штампы, имеющие несколько полостей (ручьев) для последовательной деформации заготовки. Технология штамповки может предусматривать последовательное использование рядя штампов, установленных на нескольких молотах или нескольких различных машинах: молотах и прессах, молотах и ковочных вальцах и т.д. В многоручьевых штампах, применяемых для получения заготовки, получаются следующие основные виды ручьев: штамповочные, заготовительные и отрубной (нож).

Штамповочные ручьи бывают окончательными (чистовыми) и предварительными (черновыми).

Заготовительные ручьи предназначены для перераспределения массы заготовки по главным осям поковки согласно распределению массы в поковке. К ним относятся формовочный, пережимной, подкатной, протяжной, гибочные ручьи.

Окончательный ручей, обязательный для любого штампа, предназначен для штамповки уже готовой поковки (с облоем). Деформация в нем невелика, что позволяет повысить точность размеров поковки.

Предварительный ручей применяют при штамповке поковок сложной формы для уменьшения износа окончательного ручья. Основная деформация, необходимая для получения конечной формы поковки, происходит в предварительном ручье, повторяющем по форме окончательный ручей, но с большими радиусами закруглений и без канавки для заусенца.

В формовочном ручье поковке придается форма, приближающаяся к форме поковки в плоскости разъема штампов. При этом площадь поперечного сечения заготовки изменяется незначительно.

Пережимной ручей предназначен для уширения заготовки без ее заметного удлинения. В формовочный и пережимной ручьи заготовка поступает чаще без предварительной обработки, реже – после протяжного ручья. После обработки в формовочном и пережимном ручьях заготовка попадает в штамповочный ручей (предварительный или окончательный).

Подкатной ручей позволяет перераспределять объем металла вдоль оси заготовки в соответствии с формой поковки, т.е. увеличивать одни поперечные сечения за счет уменьшения других. Заготовка поступает в подкатной ручей либо без предварительной обработки, либо из протяжного ручья. После каждого удара в подкатном ручье заготовку кантуют. После подкатного ручья заготовка чаще всего попадает в штамповочный ручей, реже – в гибочный или в формовочный.

В протяжном ручье площади поперечных сечений отдельных участков заготовки уменьшаются за счет протяжки. В этом ручье обычно производится первая штамповка, после чего заготовка передается в любой другой ручей.

Гибочный ручей придает заготовке форму, соответствующую форме поковки в плоскости разъема штампов, путем гиба. Гибочный ручей может применяться в любой последовательности среди заготовительных ручьев.

Отрубной ручей применяется тогда, когда поковка штампуется от прутка, т.е. одна заготовка (пруток) служит для последовательной штамповки нескольких поковок. В этом случае готовую поковку отрубают от прутка на отрубном ноже.

Многочисленный класс кузнечных машин составляют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). Рабочей частью таких прессов служит ползун, совершающий возвратно-поступательное движение (вниз и вверх) при полном повороте кривошипного вала. Кинематическая схема кривошипного штамповочного пресса показана на рис. 7. Электродвигатель 1 передает вращение промежуточному валу 3 через клиноременную передачу 2. Зубчатая передача 4–5 служит для передачи вращения от промежуточного вала 3 кривошипному валу 6. Фрикционная дисковая муфта 7 с пневматическим зажимом служит для сцепления зубчатого колеса 5 с кривошипным валом 6. Тормоз 8 останавливает кривошипный вал 6 после выключения муфты 7. Ползун 9, связанный с валом 6, с помощью шатуна 10 передает усилие деформации.

Кривошипные горячештамповочные прессы с усилием 2…100 Мн (200…10000 Т), позволяющим производить штамповку в открытых штампах, выдавливанием, прошивкой и др., имеют выталкиватели, с помощью которых поковка автоматически извлекается из штампов. В этом основное преимущество перед молотами. Кроме того, штамповочные уклоны на поковках с прессов в несколько раз меньше, припуски также меньше, поковки легче. Значительно увеличивается точность поковки, особенно по ее высоте в связи с тем, что ползун имеет жесткий ход. Производительность кривошипного пресса в 1,5…3 раза выше производительности молота, так как обработка в одном ручье штампа осуществляется за один ход ползуна, а на молоте – за несколько ударов.

Однако следует учитывать, что штамповка на кривошипном прессе имеет и недостатки. Заготовка должна поступать на пресс очищенной от окалины, а подкатку и протяжку на прессе выполнять трудно и неэффективно: эти операции приходится производить на другой кузнечной машине – молотах, ковочных вальцах и т.п.

Вследствие упругой деформации частей пресса в завершающий момент штамповки верхняя и нижняя половины штампа не соприкасаются, и высота поковки увеличивается на высоту упругой деформации. Это учитывается конструкцией и настройкой штампов. Особенно эффективна на КГШП штамповка выдавливанием металла по оси движения инструмента. Отсутствие ударных нагрузок позволяет делать штампы КГШП сборными из вставок, смонтированных в блоках штамподержателей.

Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) – еще более сложное оборудование, чем КГШП, и имеют штампы, состоящие из трех частей: неподвижной матрицы, подвижной матрицы и пуансона с разъемом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Подвижные части машины совершают движение в горизонтальной плоскости (рис. 8). Неподвижная матрица 1 установлена в неподвижной щеке 2, а подвижная матрица 3 – в подвижной щеке 4. Пуансон 5 закреплен на ползуне машины. Пруток 6 вставляют в матрицу 1 и фиксируют упором 7 (рис. 8 а). Рабочий ход начинается с движения щеки 4 с матрицей 3 и ползуна с пуансоном 5. Матрица 3 прижимает пруток к матрице 1, упор 7 автоматически уходит в сторону (рис. 8 б), после чего пуансон 5 начинает производить высадку части прутка, выступающего за пределы зажимной части матриц. Ползун передвигается на величину хода пуансона до переднего крайнего положения. В это время металл заполняет формующую полость, находящуюся перед зажимной частью матриц (рис. 8 в). Кроме размещения формующей полости в матрицах, как показано на рис. 8, применяют и другой вариант: формующая полость может находится в пуансоне или в матрицах и в пуансоне. Завершающая стадия цикла – движение ползуна в исходное положение,

раскрытие матриц и удаление отштампованной заготовки (рис. 8 г).

На горизонтально-ковочной машине можно выполнять несколько последовательных штамповок в различных ручьях, оси которых расположены горизонтально одна над другой. Привод ползуна от кривошипно-шатунного механизма, с которым с помощью бокового ползуна и системы рычагов связана подвижная щека. Таким образом, движения ползуна и щеки имеют жесткую связь, т.е. каждому положению ползуна соответствует определенное положение подвижной щеки. Горизонтально-ковочные машины развивают усилие на ползуне до 30 Мн (3000 Т). Наиболее эффективно использовать горизонтально-ковочные машины для получения деталей, имеющих форму различных тел вращения. Основная операция, при которой достигается максимальная производительность машины (до 900 поковок/ч), – высадка или высадка с прошивкой. Весьма широко используют ГКМ для изготовления втулок и колец высадкой и прошивкой из прутка (рис. 9). Кольцо штампуется из длинного прутка, нагретого с одного конца. В первом переходе пруток 1 зажимается в матрице 2 и высаживается головка пуансоном 3. После раскрытия матрицы в ручье 1 пруток с высаженной головкой передается в ручей 11, где прошивной пуансон 4 делает наметку под просечку. Переложив пруток в ручей 11, просечным пуансоном выбивают пруток из головки, образуя кольцо без отходов.

Гидравлические штамповочные прессы по принципу действия не отличаются от ковочных, но имеют значительно большую мощность, что связано с большей энергоемкостью процесса штамповки. Современные гидравлические штамповочные прессы развивают усилие до 700 Мн (70 000 Т). Система привода – насос или насос с аккумулятором. Эти прессы специализированы в основном для штамповки в закрытых штампах; штамповки с прошивкой и в комбинации с другими операциями; штамповки в открытых штампах с образованием заусенца; протяжки прошивных заготовок через кольца или вращающиеся ролики.

Последняя операция является по существу проталкиванием не до конца прошитой заготовки с донышком, в которое упирается пуансон, через волоку. На гидравлических прессах можно штамповать поковки сложной формы в многоручьевых штампах, поэтому они играют очень важную роль в производстве сложных деталей из алюминиевых сплавов. Гидравлические прессы большой мощности используют для штамповки крупногабаритных поковок из стали, титана и легких сплавов размерами в несколько метров, массой до 1 т. Нагретые стальные заготовки перед штамповкой следует очищать от окалины, так как полученным поковкам предъявляются повышенные требования к качеству

поверхности.

Винтовые фрикционные прессы сочетают ударное и статическое действие и относятся к машинам промежуточного вида – между молотами и прессами. К особым преимуществам этих прессов следует отнести простоту конструкции, наличие выталкивателя и возможность точного дозирования энергии удара регулировкой хода ползуна. Благодаря этому винтовые прессы используют при производстве точных турбинных лопаток без припусков на механическую обработку. Прессы выпускают усилием до 20 Мн (2000 Т), а в новой модификации с гидравлическим приводом (гидровинтовые прессы) до 40 Мн (4000 Т). Традиционная область применения винтовых прессов – горячая штамповка: высадка крепежных деталей, облойная и безоблойная штамповка, чеканка и калибровка. На прессах успешно штампуют зубчатые шестерни, причем точность штамповки достигает 0,1…0,2 мм.

Горизонтально-гибочные машины (бульдозеры) фактически являются горизонтальными прессами с приводом ползуна от кривошипно-шатунного механизма. В стандартных конструкциях усилие на ползуне не превышает 5 Мн (500 Т). В основном производят штамповку гибкой, кроме того, можно пробивать отверстия. Заготовкой служит прокат различных профилей или поковка.

Ковочные вальцы (рис. 10) имеют два валка с закрепленными секторными штампами. В момент, когда при вращении валков штампы расходятся, они обжимают заготовку, выталкивая ее при этом на передний стол. На ковочных вальцах производят в основном вытяжку с изменением формы в продольных и поперечных сечениях, что определяется конструкцией ручьев секторных штампов. Вальцы используют для изготовления готовых изделий и фасонных заготовок для других кузнечно-штамповочных машин. Массовые детали типа цепных звеньев, ключей и т.п. можно изготовлять продольной периодической прокаткой-штамповкой в вальцах: на поверхности валков большого диаметра (около 900 мм) укреплены секторы-штампы с гравюрами, в валки задается полоса или пруток, из которого за один ход формуется полоса с отпечатками гравюр штампов и облоем.

После штамповки заготовку подвергают отделочным операциям: обрезке и зачистке облоя, правке, калибровке.

Обрезка облоя, образующегося на поковке по линии разъема в штампах, осуществляется в горячем или холодном состоянии в обрезных штампах на обрезных кривошипных прессах. Последние по принципу действия не отличаются от рассмотренных кривошипных штамповочных прессов. Обрезка заключается в проталкивании поковки пуансоном через плотное отверстие с острой кромкой на матрице. Внутренний заусенец, т.е. перемычка, возникающая при наметке отверстий в поковке при штамповке, удаляется пуансоном прошивного штампа. Обрезка наружного облоя и прошивка внутреннего могут быть выполнены за

один ход пресса в комбинированном штампе.

При штамповке на горизонтально-ковочной машине возникает радиальный облой. Его удаляют в обрезном ручье на самой машине. Для зачистки неровностей, среза облоя и мелких торцовых заусенцев применяют наждачные станки.

Штампованные поковки часто нуждаются в правке, так как после обрезки заусенцев может произойти искривление осей и искажение формы.

Правку средних и крупных поковок ведут в горячем состоянии, а мелкие поковки поддаются правке и в холодном состоянии. Операция правки проводится на штамповочных молотах в специальном правочном штампе или окончательном ручье, а также на кривошипных обрезных прессах. В последнем случае устанавливают правочный штамп рядом с обрезным.

Калибровка обеспечивает точные размеры и массу, а также качество поверхности поковки, что позволяет обойтись без дальнейшей механической обработки калиброванных поверхностей. Иногда после калибровки производят шлифование. Применяют холодную (чеканку) и горячую калибровку. Чеканка дает большую точность размеров и лучшее качество поверхности, но ее нельзя применять для поковок больших размеров.

Специальная калибровочная машина – кривошипно-коленный чеканочный пресс, развивающий большое усилие на ползуне при сравнительно малом крутящем моменте на кривошипном валу. Калибровку также ведут и на кривошипных горячештамповочных прессах, молотах и винтовых фрикционных прессах. Конечно, точность калибровки на неспециализированных машинах ниже, и поэтому последние используются в основном для горячей калибровки.

Различают плоскостную, объемную и комбинированную холодную калибровку.

Плоскостная калибровка гарантирует точность размеров между отдельными параллельными плоскостями поковки и улучшает качество поверхности по этим плоскостям.

Объемная калибровка предназначена для улучшения качества поверхностей всей поковки с одновременным повышением точности размеров. Штамп для объемной калибровки соответствует конфигурации поковки. Точность объемной калибровки на 30…40% ниже, чем плоскостной. Объемную калибровку применяют также для нагретых поковок. При этом значительно уменьшается усилие калибровки, но ухудшается качество поверхности и точность размеров.

Комбинированная калибровка – это сочетание объемной и плоскостной калибровок: вначале производят объемную калибровку, а затем плоскостную. При холодной калибровке возникают значительные усилия, вызывающие упругое сжатие штампа. Благодаря этому поковка получает выпуклость (чечевичность) торцов. Для компенсации упругого сжатия рабочую поверхность штампа делают выпуклой.

Перед операцией калибровки поверхность поковки должна быть очищена от окалины травлением или дробеструйной и пескоструйной обработкой. Хорошие результаты дает сочетание химической и механической очистки.

В промышленности применяют также комбинированные процессы обработки давлением, включающие, например, ковку, объемную штамповку и прокатку.