Прогрессивные способы хо­лодной листовой штамповки

Но­вые виды штамповки благодаря своей простоте и экономичности нахо­дят широкое применение в ус­ловиях мелкосерийного и единич­ного производ­ства. К ним относят штамповку резиной, жидкостью, взрывом, электрогидрав­лическую и др.

Штамповка резиной. С её помощью осуществляются разделительные и формоизменяю­щие операции. При этом пуансо­ном или матрицей является рези­на. Штамповку резиной применяют для изделий из тон­колистового металла толщиной до 2 мм (алюминия, медных сплавов, низкоуглеродистой стали).

Штамповка жидкостью. В этом случае металл дефор­мируется под давле­нием жидкос­ти, принимая форму матрицы. Данный способ применяют для вы­тяжки полых деталей разной фор­мы.

Штамповка взрывом. Для пластического формоизмене­ния заготовки при­меняют и взрыв­чатые вещества (взрывчатые газо­вые смеси из метана, пропана, гексогена и др.), создающие высокое давление, под действием которого заго­товка принимает форму штам­па. Штамповку взрывом применя­ют для изготовления крупных де­талей и дета­лей сложной формы, когда изготовление их другими способами невозможно (напри­мер, труднодеформируемые сплавы) или неэкономично. Такая штамповка не требует сложного и до­рогостоящего оборудования.

Электрогидравлическая штамповка. Этот метод характерен тем, что энерго­носителем является вы­соковольтный электрический заряд в жидкости. Разряд вызывает появление ударной волны, которая и деформирует заготовку, придавая ей необходимую форму. Этот вид штамповки дает возмож­ность выполнять все операции холод­ной листовой штамповки с большой точностью и с сравнительно малыми за­тратами.

Магнитно - импульсная штамповка. Формирование изделий этим мето­дом происходит при создании импульсного магнитного поля вокруг заготовки и взаимодействия этого поля с импульсными токами, протекающими в заготовке. В результате такого взаи­модействия в заготовке возбуждаются вихревые токи, что приводит к образо­ванию вокруг нее также электромагнитного поля. Это создает предпосылки для динамического воздействия на за­готовку и ее дефор­мирование. Этим методом осуществляют обжатие трубных заготовок, рельеф­ную формовку, вырубку и другие операции штамповки.

1.10 Жидкая штамповка

Процесс жидкой штамповки находится на стыке двух процессов, литья и штамповки. Схема процесса жидкой штамповки показана на рис. 1.32.

Процесс начинается с получения жидкого металла, который заливают в металлическую форму (матрицу), а затем пуансоном вытесняют металл, застав­ляя его течь в зазор между пуансоном и матрицей имеющий форму отливки. Ее применяют для получения крупных тонкостенных корпусных деталей из легко­плавкого материала. Отличие штамповки жидкого металла от обычной штамповки заключается в том, что деформируемый материал затвердевает и приобретает кристалличе­ское строение в процессе штамповки.

а б

Рис. 1.32 - Схема процесса жидкой штамповки: а - заливка металла;

б – штамповка. 1 – жидкий металл; 2 – нижняя часть металлической формы (мат­рица); 3 – верхняя часть формы (пуансон); 4 – штамповка

Преимущества жидкой штамповки:

1 Отсутствие предварительной обработки исходного материала;

2 Небольшое удельное усилие и работа;

3 Возможность получения глубоких полостей малого диаметра, тонких и высоких ребер;

4 Возможность получения очень крупных штампованных поковок и запрессовки в неё различной арматуры;

5 Высокая экономичность процесса

Недостатки:

1 Быстрый износ формы (штампов), особенно при получении штампованных поковок из стали, из-за возможности схватывания жидкого металла с поверхностью штампа;

2 Сложность точной дозировки объёма и более низкое качество штампованных поковок по сравнению с изделиями, имеющими волокнистое строение.

Устранить последний недостаток жидкой штамповки позволяют другие варианты. По одному из таких вариантов в метал­лической форме получают предварительную литую заготовку, которая сразу же в горячем виде подвергается горячей объемной штамповке в открытом штампе с получением окончательной за­готовки. Такие штампованные поковки приобретают высокую плотность и высокие механические свойства благодаря интенсивному теплоотводу (в 20 раз превышающему теплоотвод обычного кокиля) и одновре­менному горячему деформированию литой структуры в период кристаллизации.

Применяется технология жидкой штамповки для изготовления дисков авто­мобильных алюминиевых колес из сплавов с низкой жидкотекучестью, обла­дающих повышенными механическими свойствами.

1.11 Тиксоштамповка и реоштамповка

В последнее десятилетие учеными и исследователями в России и за рубежом разрабатываются технологии штамповки металлов в твердожидком состоянии (тиксоштамповка и реоштамповка). Эти технологии в разной степени обеспечи­вают повышение размерной точности штамповок, коэффициента использования металла. Технология жидкой штамповки обеспечивает эти преимущества в ос­новном за счет уменьшения пористости, воздействием давления на кристалли­зующийся металл, но при этом сохраняется неоднородность химического со­става (ликвация) остаточная микропористость и дендритная микроструктура.

В технологии тиксо - и реоштамповки сохраняются и учитываются пре­имущества жидкой штамповки и устраняются её недостатки за счет существен­ного изменения микроструктуры металла: вместо дендритной формируется сфе­роидальная (глобулярная) микроструктура. Эта структура формируется специ­альным воздействием на кристаллизующийся металл, в процессе образования твердожидкой суспензии в температурном диапазоне между линиями ликвидус и солидус, то есть при температуре ниже линии расплава и выше линии затвер­девания (рис. 1.33). Значительный интерес к новой технологии штамповки в твердожидком состоянии вызван открытием свойства тиксотропности металли­ческих суспензий с глобулярной микроструктурой.

Эффект тиксотропности – способность металлических суспензий с глобу­лярной микроструктурой в твердожидком состоянии значительно снижать со­противление сдвиговым деформациям, что позволяет металлу заполнять слож­ные формы полости штампов при незначительной удельной силе.

Новизна технологий состоит в том, что процессы формообразования осу­ществляются при твердожидком состоянии металла на заготовках, в которых предварительно подготовлена глобулярная микроструктура первично кристал­лизующейся фазы.

Это требует разработки новых схем организации технологических процес­сов в заготовительных производствах. В них должно быть предусмотрено воз­действие на металл, в процессе разливки, различными средствами, препятствую­щими образованию дендритной микроструктуры с последующей штамповкой (реоштамповка) или закалка (сохранение глобулярной микроструктуры), по­вторный нагрев до образования твердожидкой фазы (суспензии) и деформиро­вание в штампах на гидропрессах с ЧПУ, или на специализированных гидроко­ленных прессах (тиксоштамповка).

Тиксотехнологии характеризуются одновременным возрастанием прочно­сти и пластичности материала поковок. А при охлаждении до температуры сус­пензии с содержанием твердой фазы более 90 %, характеризуется пластично­стью и сопротивлением деформированию подобными горячей объёмной штам­повке. Отштампованные таким способом поковки обладают высоким качеством и повышенной надежностью, существенно улучшенными критериями техноло­гичности. В результате снижается масса детали, в несколько раз уменьшаются потери металла на механическую обработку, количество штамповочных опера­ций снижается до одной, а затраты энергии на формообразование снижаются многократно.

Рис. 1.33 - Схема температурных условий формообразования металла в тик­сотехнологиях

Страны Европейского Союза, США, Япония широко применяют тиксотех­нологии в автомобилестроении для получения поковок из алюминиевых спла­вов, обладающих повышенным комплексом механических свойств. В тиксотех­нологиях применяют в основном литейные алюминиевые сплавы, например, А 356 и другие. Такие сплавы невозможно штамповать традиционной горя­чей объемной штамповкой, т.к. в области температур, характерных для ГОШ они обладают низкой пластичностью, но обладают благоприятными свойствами для тиксоштамповки.

Применение тиксотехнологий в России перспективно, так как она является одним из основных производителей алюминия для авиакосмической, автомо­бильной и других отраслей промышленности.

1.12 Нагревательные устройства

В современных процессах обработки металлов давлением нагрев заготовок осуществляют в пламенных и электрических печах, в установках контактного и индукционного электрического нагрева.

Нагрев в пламенных печах происходит за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности металла. В электрических печах сопротивления металл на­гревается за счет лучеиспускания тепла от нагревательных элементов электро­сопротивления. В установках электроконтактного нагрева - за счет тепла, выде­ляющегося при прохождении тока через нагреваемую заготовку. В установках индукционного нагрева - за счет тепла, выделяющегося в заготовке вследствие действия вихревых токов. Основными видами топлива, используемого в пла­менных печах, являются мазут и газ, причем газообразное топливо является наиболее прогрессивным. Жидкое топливо (мазут) сжигают с помощью форсу­нок, распыляющих топливо и обеспечивающих его хорошее смешивание с воз­духом. Для сжигания газа применяют газовые горелки, которые служат для по­дачи газа и воздуха в печь и смешивания их в необходимых пропорциях.

Нагревательные печи для нагрева заготовок используют двух основных типов: камерные и методиче­ские.

Камерная печь. В печи заготовки 2 укладывают на под 1, разо­гретый до температуры посадки, рис.1.34,а. После прогрева заготовок до заданной темпера­туры, их извлекают, как правило, через окно 4. Рабочее пространство печи нагревается за счет сжигания топлива с помощью форсунок или горелок 3. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5.

Методическая печь, рис. 1.34,б. Рабочее пространство печи имеет не­сколько зон с различной температурой. Заготовки 2 проталкиваются с помощью толкателя 8 и, перемещаясь по поду печи 6, попадают сначала в первую подог­ревательную зону I (600-800 ° С), затем в зону максимального нагрева II (1250-1350 ° С), где установлены горелки 3. Зона III является зоной выдержки, в кото­рой происходит выравнивание температуры по сечению заготовки. Горячие газы движутся навстречу перемещающимся заготовкам, которые выдаются из печи через окно 7. Существенным недостатком нагрева в пламенных печах с обычной атмо­сферой является обезуглероживание поверхности стальных заготовок и высокий угар металла, что связано с большими потерями металла (до 3 - 4 % от общей массы нагреваемого металла за один цикл нагрева). Для уменьшения потерь металла применяют защитные атмосферы.

Рис. 1.34 - Нагревательные печи: а - камерная; б - методическая

Электропечи сопротивления. Конструктивно они такие же, как и пламен­ные, но в качестве нагревателей используют металлические или карборундовые (силитовые) элементы сопротивления, подключающиеся к силовой электриче­ской сети. Сопротивления, нагреваясь, излучают теплоту, которая передается стенкам печи и заготовкам, находящимся на поду. Явным преимуществом таких печей является возможность точного регулирования температуры рабочего про­странства. Однако при температурах, необходимых для нагрева стали, стойкость элементов сопротивления низка. Поэтому используют их в основном для на­грева под обработку давлением цветных сплавов.

Индукционное электронагревательное устройство, рис. 1.35,а. Заготовку 1 помещают внутрь многовиткового соленоида (индуктора) 2, выполненного из медной трубки. По индуктору пропускают переменный ток, и в заготовке, ока­зывающейся в переменном электромагнитном поле, возникают вихревые токи, под действием которых и происходит разогрев заготовки.

Преимущества индукционного нагрева: высокая скорость, в несколько раз превышающая скорость нагрева в печах; почти полное отсутствие окалины и обезуглероживания; возможность повышения температуры начала ОМД без по­явления перегрева; удобство автоматизации подачи и выдачи заготовок; улуч­шение условий труда.

К недостаткам следует отнести: меньшую универсальность, т. к. для загото­вок разных размеров нужно применять разные индукторы; высокую стоимость электроустановок и электроэнергии. Поэтому индукционный нагрев применяют в цехах крупносерийного производства поковок.

Устройство электроконтактного нагрева, рис.1.35,б. В устройствах концы заготовки 1 зажимают между медными контактами 3, к которым подводится ток большой силы. При прохождении тока через заготовку в ней, из-за ее электриче­ского сопротивления, выделяется теплота, пропорциональная квадрату силы тока. Контактный нагрев обладает теми же достоинствами, что и индукционный.

Рис. 1.35 - Схемы электронагревательных устройств: а - индукционный;

б – контактный; 1 – заготовка; 2 – нагревательные элементы; 3 – контакты

В настоящее время при разработке оборудования и технологических про­цессов ОМД используют ряд программ, например Quantor Form (разработана в ЦНИИТМАШе). Эффективное применение моделирования при разработке тех­нологии ОМД, приводит к значительному экономическому эффекту.

1.13 Требования к материалам поковок и штампованных поковок в энергетическом машиностроении

Поковки и штампованные поковки должны изготавливаться в соответствии с требова­ниями конструкторской и НД и соответствовать ГОСТ 7062, ГОСТ 7505, ГОСТ 7829, ГОСТ 8479.

Исходным материалом для изготовления поковок могут служить слитки, обжатые болванки, кованые или катаные заготовки, а также заготовки с устано­вок непрерывной разливки стали и различные виды проката. Размеры поковок должны учитывать припуски на обработку резанием, допуски на размеры и технологические напуски для поковок, изготавливаемых ковкой на прессах по ГОСТ 7062, ковкой на молотах по ГОСТ 7829 и горячей штамповкой по ГОСТ 7505, а также напуски на пробы для контрольных испытаний.

На поверхностях поковок не должно быть трещин, плен, песочин. На необ­рабатываемых поверхностях поковок допускаются вмятины и забоины, а также пологая вырубка или зачистка дефектов при условии, что глубина указанных дефектов не выходит за пределы наименьших допускаемых размеров поковок по ГОСТ 7062.

На обрабатываемых поверхностях поковок допускаются отдельные де­фекты без удаления, если их глубина, определяемая контрольной вырубкой или зачисткой, не превышает 75 % фактического одностороннего припуска на обработку резанием для поковок, изготавливаемых ковкой и 50 % изготавли­ваемых штамповкой. Поковки не должны иметь трещин, усадочной рыхлости.

Режим термической обработки легированных и углеродистых сталей уста­навливается предприятием - изготовителем и должен соответствовать

ГОСТ 8479. .

Поковки, прошедшие после термической обработки правку в холодном или подогретом состоянии, должны быть подвергнуты отпуску для снятия внутрен­них напряжений. Все поковки из легированных и углеродистых сталей с содер­жанием углерода выше 0,25 % и все поковки для деталей, подлежащих даль­нейшей термической обработке, должны подвергаться отжигу или нормализа­ции. Число повторных термических обработок не должно быть более двух.

Испытание поковок на твердость следует производить в соответствии с требованиями ГОСТ 9012. Испытание на ударный изгиб производить в соот­ветствии с ГОСТ 9454.

Каждая поковка должна иметь маркировку. Место маркировки указывается на чертежах детали. Маркировка должна соответствовать ГОСТ 8479.

2 обработка металлов резанием

Настоящий раздел учебного пособия базируется на терминах и определениях, приведенных в следующей НД :

- ГОСТ 3.1109 - 82 ЕСТД Термины и определения основных понятий;

- ГОСТ 25751 - 83 Инструменты режущие. Термины и определения общих понятий;

- ГОСТ 25761 - 83 Виды обработки резанием. Термины и определения общих понятий;

- ГОСТ 25762 - 83 Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий.

2.1 Общие понятия в обработке резанием

Резание материалов является разновидностью механической обработки.

Обработка резанием – обработка, заключающаяся в образовании новых поверхностей отделением поверхностных слоёв материала с образованием стружки. . Стружка – деформированный и отделённый в результате обработки резанием поверхностный слой материала заготовки.

Под обрабатываемой поверхностью понимают поверхность заготовки, которая частично или полностью удаляется при обработке. Под обрабо­танной поверхностью понимают поверхность, образованную на заготовке в результате обработки.

Черновая обработка – обработка резанием, при которой снимается основная часть припуска.

Припуск – слой материала, удаляемый с поверхности заготовки в целях достижения заданных свойств обрабатываемой поверхности.

Чистовая обработка – обработка, в результате которой достигаются заданные точность размеров и шероховатость обрабатываемых поверхностей.

Шероховатость поверхности – совокупность неровностей, образующих микрорельеф поверхности детали.

Обработку резанием осуществляют на металлорежущих станках с помощью режущих инструментов.

Металлорежущий станок – станок, предназначенный для размерной обработки металлических заготовок путём снятия материала.

Режущий инструмент – инструмент для обработки резанием.

Виды обработки резанием:

- лезвийная обработка (обработка, осуществляемая лезвийным инструментом);

- абразивная обработка (обработка, осуществляемая множеством абразивных зёрен);

- отрезание (обработка, заключающаяся в отделении заготовки в качестве части от целого вдоль одной её стороны);

- вырезание (обработка, заключающаяся в отделении заготовки в качестве части от целого вдоль двух или нескольких её сторон);

- разрезание (обработка, заключающаяся в разделении заготовки на части);

- резьбонарезание (обработка, заключающаяся в образовании резьбы);

- зубонарезание (обработка, заключающаяся в образовании зубьев);

- затылование (обработка, заключающаяся в образовании задних поверхностей лезвий затылованных зубьев).

Движения, которые обеспечивают резание материала или вызывают изменение поверхностного слоя заготовки, различают по видам:

- главное движение резания (ГДР) - прямолинейное поступательное или враща­тельное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью в процессе резания (обозначение D_г);

- движение подачи - прямолинейное поступательное или вращательное движе­ние режущего инструмента или заготовки, скорость которого меньше скоро­сти главного движения резания, предназначенного для того, чтобы распро­странить отделение слоя материала на всю обрабатываемую поверхность (обозна­чение D_s );

- подача - отношение расстояния, пройденного рассматриваемой точкой режу­щей кромки или заготовки вдоль траектории этой точки в движении подачи, к соответствующему числу циклов или определенных долей этого другого движе­ния во время резания или к числу определенных долей цикла другого движения (обозначение S);

- скорость движения подачи - скорость рассматриваемой точки режущей кромки в движении подачи (обозначение V_s); . . - цикл движения - полный оборот, ход или двойной ход режу­щего инструмента или заготовки. Долей цикла является часть оборота, соответст­вующая угловому шагу зубьев режущего инструмента;

- ход - движение в одну сторону при возвратно - поступатель­ном движении;

- подача на оборот - подача, соответствующая одному обороту инструмента или заготовки (обозначение S₀);

- подача на ход - подача, соответствующая одному ходу заготовки или инстру­мента (обозначение S_x);

- подача на зуб - подача, соответствующая повороту инструмента или заго­товки на один угловой шаг режущего инструмента (обозначение S_z).

- подача на двойной ход - подача, соответствующая одному двойному ходу за­готовки или инструмента (обозначение S_2x).

- скорость главного движения резания - скорость рассматриваемой точки ре­жущей кромки или заготовки в главном движении резания (обозначение V). . - глубина резания - толщина снимаемого слоя металла, измеренная по перпендикуляру к обработанной поверхности заготовки, за один рабочий ход инструмента относительно обрабатываемой поверхности (обозначение t ).

2.2 Процесс образования стружки

Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. При резании различных материалов образуются следующие основные типы стружек: сливная (непрерывная), скалывания (элементная) и надлома.

а б в

Рис. 2.1 - Типы стружек при обработке резанием: а – сливная; б - скалывания; в - надлома

Сливная стружка - образуется при резании пластичных металлов ( низкоуглеродистая сталь, латунь и др.) с высокими скоростями резания и малыми подачами. . Стружка скалывания - состоит из отдельных элементов, связанных друг с другом и имеет пилообразную поверхность. Такая стружка образуется при обработке высокоуглеродистых и легированных сталей и некоторых видов латуни с малыми скоростями резания и большими подачами. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.

Стружка надлома - образуется при резании низкопластичных материалов (чугун, бронза) и состоит из отдельных кусочков.

При обработке металлов, особенно пластичных, в непосредственной близости к режущей кромке резца на переднюю поверхность резца налипает обрабатываемый материал, образуя металлический нарост, имеющий клиновидную форму и по твердости в 2-3 раза превышающий твердость обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет геометрические параметры резца, участвует в резании металла и оказывает влияние на результаты обработки, износ резца и силы, действующие на резец. При обработке нарост периодически скалывается и вновь образуется; отрыв частиц нароста по длине режущего лезвия происходит неравномерно, что приводит к мгновенному изменению глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, увеличивают шероховатость обработанной поверхности. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают.