Особенности технологии горячей объемной штамповки

Штамповочные ручьи

Поковки простой конфигурации штампуют из проката стали нужной формы – круг, прямоугольник, квадрат. Когда поковка имеет сложную форму, исходную заготовку изготавливают максимально на нее похожую производством штамповки или свободной ковки. Для таких многоуровневых операций, как правило, применяют многоручьевые штампы для последовательной деформации заготовки (фасонирования).

Технология штамповки часто происходит в несколько переходов.

Для этого требуется использование основных видов ручьев:

• штамповочные;
• заготовительные;
• отрубной ручей (нож).

Нож применим в случае последовательной штамповки ряда поковок от прутка. Готовую поковку нужно отрезать от прутка на отрубном ноже.

При горячей штамповке изделий из стали используют штамповочные ручьи.

Они подразделяются на несколько типов:

• протяжные;
• пережимные;
• заготовительные;
• гибочные;
• подкатные.

Протяжные удлиняют определенный участок заготовки.

Пережимные используют, чтобы увеличить ширину определенного участка заготовки и уменьшить его высоту.

Заготовительные штамповочные ручьи позволяют перераспределить металл заготовке таким образом, чтобы изготовленное изделие принято форму с минимальным отходом материала.

В гибочных ручьях из заготовки со смещенной осью происходит формирование поковка с углом изгиба 90°.

Целью подкатных штамповочных ручьев является равномерное распределение металла по оси заготовки, увеличивая диаметр определенных ее участков.

Штамповочные ручьи также делятся на черновые и чистовые изделия.

Это необходимо для того, чтобы черновая заготовка поместилась в чистовую гравюру. Если выполняется штамповка, этот этап следует пропускать.

В чистовых ручьях изделие получает форму, напоминающую конус. Размер детали в чистовом ручье больше на величину усадки при остывании металла. Чистовой ручей размещается в центральной части штампа из-за больших усилий, оказываемых на заготовку.

Оборудование и инструменты

Для формирования металлических изделий изготавливаются штампы, вставляющиеся в прессах, которые бывают 2 типов:

1. Кривошипно-шатунные. Основным элементом в них является ползун, двигающийся по направляющим. Сверху располагается электродвигатель, который дает толчок движению кривошипно-шатунного механизма. Снизу имеется плита, на которую ставится штамп. Оборудование быстроходное. К недостаткам относится большая сила удара при соприкосновении пуансона с металлом. В результате инструмент выкрашивается.

2. Гидравлические прессы. Обладают большой мощностью. К преимуществам относится плавность движения ползуна. Благодаря этому при работе отсутствует механический удар, что приводит к длительной службе инструмента. Величина хода движения ползуна обеспечивает большую открытую высоту пространства пресса. Это дает возможность совершать операции глубокой вытяжки или гибки заготовок с высокими бортами.

Обработка металлов давлением позволяет получить за короткое время большое количество деталей. При этом они все будут иметь одинаковую форму. Точность их изготовления регламентируется ГОСТом.

Изготовление штампов

Для упрощения технологического процесса изготовления штампов производится стандартизация их деталей, например блоков в сборе, включающих нижние и верхние плиты, направляющие колонки, втулки и т. д.

Точность штампуемых деталей (квалитет 8—14) зависит от точности рабочих деталей штампа (квалитет 6—11)

Поэтому при проектировании и изготовлении штампов большое внимание должно уделяться точности исполнительных размеров и конфигурации профиля рабочей части матрицы и пуансона. В качестве исходных данных при расчете рабочих частей штампов принимаются номинальные размеры и допуски на штампуемую деталь

Для вырубных и пробивных штампов методика расчета соответствующих исполнительных размеров матрицы и пуансона зависит от назначения штампа.

В штампе для вырубки деталей матрица принимается в качестве основной детали, а наименьший технологический зазор обеспечивается за счет диаметра пуансона. За номинальный принимается диаметр, меньший номинального диаметра штампуемой детали на допуск.

Для электротехнических сталей с содержанием 4% кремния зазор между матрицей и пуансоном для листа толщиной 0,2— 0,5 мм составляет 12—14% толщины листа, при вырубке деталей из закаленных сталей с HRC3 32—42—20%, а из нержавеющих аустенитных сталей — 20—25%. В свою очередь для вырубки контура и пробивки отверстия в нержавеющей стали большей толщины (до 3 мм) зазор составляет 0,02—0,03 мм, а толщиной 3— 10 мм — 0,04—0,05 мм. При штамповке электротехнической стали зазор не должен превышать 3—6% толщины обрабатываемого материала. Шероховатость рабочих и направляющих поверхностей деталей вырубных и гибочных штампов должна иметь 0,32— 0,63 мкм, а вытяжных матриц 0,08—0,16 мкм. Окна в матрицах могут выполняться с нулевым пояском или с небольшим уклоном (2—3) на ширине пояска, а затем угол увеличивается до 2—3°, что обеспечивает нормальный проход деталей и отходов в матрице.

При больших партиях штампуемых деталей из трансформаторного железа и из других труднообрабатываемых материалов рабочие части штампов следует изготовлять из твердого сплава марок ВК15, ВКЗО. Стойкость таких штампов между переточками составляет до 200 тысяч ударов, в то время как стойкость стальных не превышает 2—3 тысяч ударов. Твердосплавные матрицы и пуансоны изготовляются из пластифицированных твердых сплавов, после чего производится необходимая механическая обработка, а затем твердосплавные заготовки подвергаются окончательному спеканию и чистовой обработке алмазными абразивными инструментами. Ранее был представлен твердосплавный штамп для последовательной безотходной штамповки пластин трансформаторного железа.

При изготовлении крупногабаритных штампов в настоящее время широко используются пластмассы на основе эпоксидных и акриловых смол, а также фенопласты, что значительно снижает трудоемкость производства штампов. Напыление пластмасс на макеты и каркасы элементов штампа обычно осуществляется с помощью специальных установок, после чего сверху наносятся более прочные слои смеси из стекловолокна и связующего вещества толщиной до 1,5—3 мм. Полученный слой накатывается с помощью резиновых роликов. В качестве каркаса в зависимости от размеров штампа используются металл, дерево и масса песка.

За последние 15—25 лет для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах, вакууме, скоростных потоках среды или при повышенных температурах, начали широко применяться коррозионно-стойкие и жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы. Они имеют повышенные физико-механические характеристики.

Большие габаритные размеры и толщина заготовок, сложность формы и высокие требования к точности изготовляемых деталей ставят такие задачи, как создание мощного прессового оборудования, имеющего рабочую площадь стола 25—30 м2 и более, а также изготовление сложных и крупногабаритных нагревательных устройств, позволяющих производить деформирование заготовок из малопластичных материалов в нагретом состоянии, а также трудоемкой и металлоемкой технологической оснастки.

Инструменты и оборудование

Штамповочное производство холодным и горячим методами требует наличия ряда инструментов и приспособлений. Применяемое для штамповки оборудование условно делится на основное и вспомогательное.

К первой группе инструментов причисляют штампы, разделяющиеся, в свою очередь, на ковочные для изготовления изделий и обрезные для ликвидации заусенцев после штамповки.

Все они предназначаются для создания исключительно заданной детали, но иногда можно встретить и варианты со съемными частями и блоками, которые позволяют выполнить переналадку.

Штамповочный инвентарь для горячей технологии производится из высококачественной легированной инструментальной стали, потому что на изделия в процессе эксплуатации оказывается высокое механическое давление и термическая нагрузка.

Но это довольно дорогой материал, поэтому для экономии денежных средств штампы производят со вставками из более дешевых металлов.

Холодная штамповка металла предполагает использование оборудования, работающего при высоких удельных нагрузках и обеспечивающего высокую точность форм и размеров изделий. Оно характеризуется высокой производительностью и увеличенным рабочим ходом, так как обладает высокой жесткостью конструкции.

Процесс получения объемных штампов.

Kо второй группе инструментов и приспособлений для осуществления штамповки относят:

• приспособления, позволяющие осуществить доставку и загрузку металла в печь, его подачу от печи к молоту и передачу заготовок от одного молота к последующему;
• инвентарь для подачи заготовок под штамповочный пресс с их последующим перекладыванием из одного ручья штампа в другой;
• инструменты для удаления поковки из штампов после изготовления;
• измерительные приборы и шаблоны для осуществления периодического контроля отштампованных поковок.

Для обработки деталей из металла методом горячей объемной штамповки потребуется следующее оборудование:

• молотовые штампы;
• горячештамповочные кривошипные прессы;
• горизонтально-ковочные агрегаты.

Самые распространенные варианты сегодня ‒ это паровоздушные молоты с двойным действием и простые приводные фрикционные молоты. Они работают за счет ударно-деформирующего воздействия на металлозаготовку.

Высококачественное перераспределение металла можно обеспечить при условии одновременного регулирования хода подвижных деталей и силы удара в сочетании с кантованием заготовки. Отметим, что молоты причисляются к категории довольно недорого штамповочного оборудования.

Также при горячем штамповании часто используются кривошипные прессы с жестким приводом, не позволяющим изменять направление ползуна.

Изготовленные с помощью прессов поковки отличаются большей точностью за счет жесткого хода. Это сводит к минимальной вероятности риск появления припусков на механическую обработку.

Недостаток такого оборудования заключается в необходимости проводить предварительную очистку заготовки от окалины, иначе она вжимается в тело поковки.

При соприкосновении разогретого металла со стеночками пресса происходит остывание заготовки из-за большого количества времени, потраченного на процесс деформации.

Разновидности объемной штамповки

Существуют разные виды объемной штамповки: холодная и горячая. Первая технология менее распространена, нежели горячая, так как для нее не требуется очень мощное оборудование.

Помимо этого, стоит отметить склонность большинства сталей и сплавов поддаваться обработке именно в горячем состоянии. Поэтому именно горячий вид штамповки и ковки предпочтителен для множества предприятий металлургической отрасли, которые предполагают изготовление изделий из листов металла.

Но и свои достоинства у холодной технологии создания поковок из металла присутствуют:

• в процессе работы не происходит нагревание металла;
• металлическая поверхность не окисляется при контакте с кислородом;
• можно изготовить изделия с более точными параметрами;
• низкие показатели шероховатости металлической поверхности;
• низкий расход металла;
• низкая трудоемкость производства изделий.

Горячий метод штамповки поковок отличается:

• высокими показателями производительности;
• отменной однородностью и прочностью готовых поковок;
• возможностью получения поковки сложной формы;
• высокой автоматизации рабочих процессов.

Процесс горячей штамповки.

Различают разные способы горячей объемной штамповки, в зависимости от типа примененных штампов:

• открытая;
• закрытая;
• выдавливанием;
• прошивкой;
• в разъемных матрицах.

Именно  такая классификация считается основной, потому что тип использованного в работе штампа является определяющим фактором для характера течения металла при формообразовании поковки.

Благодаря использованию технологии обработки металлов данным методом можно изготовить разнообразные по геометрическим параметрам поковки:

1. Детали удлиненной формы: рычаги, шатуны. Для их производства потребуется штамповочный пресс.
   Исходную заготовку поддают протягиванию и обрабатывают плашмя. В конце работы деталь фасонируют при помощи ковки.
2. Дисковые детали квадратной, круглой формы и небольшой длины: ступицы, шестеренки, фланцы, крышки.
   Изготавливаются с помощью технологии осадки в торец заготовки. А их использование осуществляется с применением штамповочных переходов.

Если допуски обуславливают чистоту поверхности и точность поковки, что удовлетворяет общим требованиям к конечным результатам работы, то в дальнейшем иных припусков не предполагают.

Если же предполагаемые заранее допуски или чистота поверхности металла на деле оказались неудовлетворительными, стоит рассмотреть возможность получения более точных параметров поковок путем калибровки, чеканки, улучшения качества самого процесса и нагрева.

Если же это решение не позволяет решить вопрос, то назначаются припуски для последующей обработке путем резки.

Виды оборудования для листовой штамповки

Для различных видов операций листовой штамповки применяется широкий спектр оборудования.

Так, для операций резки используют вибрационные, или гильотинные ножницы.

Для выполнения формообразующих операций применяют основное штамповочное оборудование — станок для листовой штамповки или пресс. По типу они различаются на:

• Кривошипно-шатунные.
• Гидравлические.
• Радиально-ковочные.
• электромагнитные.

Самым простым в устройстве и обслуживании является пресс с кривошипно-шатунным приводом. Он пригоден для выполнения несложной листовой штамповки — тонкостенных деталей малого и среднего размера простой формы.

Пресс с кривошипно-шатунным приводом

Гидравлические прессы позволяют развивать намного большее усилие (до 2 тысяч тонн) и точнее регулировать ход пресса. Этот тип оборудования применяют для операций гибки или объемной штамповки из листа большой толщины.

Радиально-ковочные комплексы используют для листовой штамповки деталей, имеющих форму тела вращения.

Электромагнитные прессы — достаточно новый тип оборудования. Давления на заготовку производится за счет массы электромагнитного сердечника, направляемого к пуансону электромагнитным импульсом. Импульс противоположной полярности возвращает сердечник в исходное положение. Такой привод намного проще в изготовлении и обслуживании, чем гидравлический, но пока не достигает его мощности.

Процесс горячей объемной штамповки

Метод заключается в том, что при приложении высокого давления металл горячей болванки подвергается серии последовательных деформаций, и, не нарушая своей целостности, затекает в свободное пространство специально подготовленных штампов, повторяя их пространственную форму и приходя к заданным размерам. Выступы и впадины в соответствующих локальных областях штампа ограничивают и направляют движение металла, приближая с каждым проходом конфигурацию и габариты болванки к параметрам конечного изделия. При последнем рабочем проходе они формируют замкнутый единый ручей (полость), совпадающий с конфигурацией готового изделия.

Технологический процесс горячей объемной штамповки

Термин горячая объемная штамповка металла указывает на то, что габариты и геометрия заготовки меняются не в одном, а в двух или трех измерениях.

Горячая штамповка в качестве болванок использует круглый или прямоугольный прокат, а также горячекатаный лист. Горячая объемная штамповка проводится и прямо из прутка, если конфигурация детали не очень сложная и достаточно одного-двух проходов. Впоследствии отдельные детали отрубают от прутка.

По своей форме конечные поковки подразделяют на два основных класса:

• Дисковые: фланцы, крышки, ступицы, прочие круглые (прямоугольные) поковки с длиной, малой относительно диаметра. Здесь выбирают базовую технологическую схему осадки в торец исходной болванки.
• Удлиненные: рычаги, валы, шатуны и похожие на них по конфигурации детали. Болванка располагается на штампе плашмя, и в ходе нескольких черновых и штамповочных операций ей придают окончательную форму. До завершающего прохода исполняют формовку в ручьях и на вальцах.

https://youtube.com/watch?v=lrJvdZjMhCQ

По технологическим схемам активно применяются две наиболее употребительных:

• штамповка в закрытых штампах
• штамповка в открытых штампах

Горячая объемная штамповка в закрытых штампах осуществляется в штампе с небольшим зазором между его половинами. Подразумевается, что объемы заготовки и готового изделия совпадают. Эту оснастку снабжают двумя поверхностями разъединения, находящимися под некоторым углом. Схема используется в производстве сравнительно несложных по своей форме деталей и позволяет добиться наибольшей однородности внутреннего строения детали и меньшей шероховатости.

При применении схемы горячей объемной штамповки в открытых штампах нет точного соответствия объемов между заготовкой и конечным изделием, происходит активное перераспределение массы металла между частями поковки. Часть металла выдавливается за пределы штампа в специальную канавку и называется облоем. Схема позволяет штамповать детали практически любой конфигурации, поскольку позволяет проводить большое количество черновых и завершающих проходов с промежуточным кантованием болванки.

Технологические операции

Наиболее распространённая операция, изменяющая форму детали, это гибка, которая формирует на поверхности заготовки из металла запланированные участки с изгибом. Вытяжкой называется объёмная штамповка. Это операция, с помощью которой получается объёмное изделие из такой плоской металлической поверхности, как, например, металлический нержавеющий лист. Именно с помощью вытяжки он превращается в цилиндр, конус, полусферу или принимает коробчатую конфигурацию. Изделия из листового металла должны иметь бортик по краю и вокруг отверстий, если они внутри заготовки выполнены. Например, отбортовка должна завершать конец трубы, чтобы установить на неё фланец. Такая операция требует наличия специального инструмента.

При помощи обжима происходит обратное действие. Отбортовка расширяет концы заготовок из листового металла, а обжим сужает. Те же концы труб или край полости требуют такой операции, которая осуществляется посредством конической матрицы наружно. Формовка тоже относится к основным операциям, относящимся к штамповке. Она помогает изменить форму отдельным элементам штампованной детали, а наружный контур оставляет неизменным. Объёмная штамповка требует работы специального оборудования и сложных предварительных чертежей, а потому в домашних условиях практически никогда не реализуется.