Материал: Технологические основы процесса объемной штамповки

Основным недостатком прототипа такого рода является весьма низкий коэффициент использования дорогостоящей стали (а именно инструментов, изготовленных из неё). В частности эта проблема довольно сильно касается процесса изготовления концевого (или хвостового) режущего инструмента. Это объясняется тем, что хвостовую часть всегда нужно изготавливать только из пресс-остатка. А он, в свою очередь, практически полностью уходит в стружку, вместо того, чтобы уйти на переплав. У такого рода машин для штамповки жидкого металла не предусмотрено наличие вертикального разъёма, что приводит к образованию рельефной полости, объясняющееся так же неполноценной вентиляцией. Другим недостатком таких аппаратов является довольно сильная ограниченность выбора вариантов выполнения формообразующей полости.

Основной целью, преследуемой этим современным изобретением, является стремление повысить коэффициент полезного действия использования инструментов, изготовленных из весьма дорогостоящей стали (при изготовлении хвостового режущего инструмента). Так же новые дополнения предназначены для того, чтобы устройство для штамповки из жидкого металла получало достаточное количество кислорода и полноценно вентилировалось [3].

3. Оснастка и инструменты

Основным типом молотов являются паровоздушные штамповочные молоты. Их конструкция несколько отличается от ковочных молотов. Стойка станины устанавливается непосредственно на шаботе. Молоты имеют усиленные регулируемые направляющие для движения бабы. Масса шабота превышает массу падающих частей в 3 - 30 раз. Все это обеспечивает необходимую точность соударения штампов.

Масса падающих частей составляет 630 - 25000 кг. Используются молоты бесшаботной конструкции. Шабот заменен подвижной нижней бабой, связанной с верхней бабой механической или гидравлической связью. Энергия удара поглощается механизмами молота. При соударении верхней и нижней баб развивается значительная энергия, что позволяет штамповать поковки в одноручьевых штампах. Особенностями ГОШ на молотах являются ударный характер деформирующего воздействия и возможность регулирования хода подвижных частей и величины удара при одновременном кантовании заготовки, что позволяет более эффективно производить перераспределение металла. На молотах возможно выполнение всех заготовительных переходов, в том числе протяжки и подката. Одним из важнейших видов оборудования, применяемого в металлообработке, является штамповая оснастка. Штамповка - это сложный процесс пластической деформации металла, применяемый для придания металлу другой формы и размеров. Штамповка широко применяется при массовом производстве деталей и осуществляется на специальном металлообрабатывающем оборудовании (прессах).

Штамповая оснастка - это разнообразные детали и приспособления, с помощью которых заготовкам придаёт новая форма и размеры. От качества штамповой оснастки во многом зависит качество выпускаемого товара и себестоимость металлопродукции.

С помощью разных видов штамповой оснастки можно осуществлять деформацию металлических, пластмассовых, бумажных заготовок. В промышленности используются два вида штамповки - листовая и объёмная. Листовая штамповка применяется при обработке заготовок, у которых одно из измерений очень мало по сравнению с двумя другими (лист, лента, полоса). Если все измерения заготовки не имеют существенных отличий друг от друга, то штамповка получается объемной. В процессе объёмной штамповки на заготовку из сортового металла воздействуют специальным инструментом - пуансоном. Металл заполняет полость матрицы и приобретает её размеры и форму. Для операций холодной штамповки традиционно используют недорогие металлы и сплавы, обладающие гибкостью и пластичностью, что позволяет значительно уменьшить количество отходов, образующихся при штамповке.

Оснастка штамповая классифицируется по следующим признакам: по способу обработки (штампы вырубные, формовочные, чеканочные, гибочные, вытяжные и прочие); по температурному режиму (штампы для горячей и холодной штамповки); по размерам; по количеству выполненных операций (штампы последовательного или комбинированного действия); по функциональности (для изготовления одного изделия или со сменными частями - для нескольких изделий).

Штамповая оснастка в процессе эксплуатации находится под действием значительных нагрузок. Эти нагрузки различны по величине и направлению и зависят от характера работ, для которых предназначен штамп. Так, например, матрицы вырубных штампов при работе испытывают напряжение на изгиб, на разрыв и на срез; матрицы штампов ударного выдавливания испытывают напряжения на изгиб и разрыв, а пуансоны к этим штампам - напряжения на изгиб и сжатие. Выдержать все эти нагрузки сможет лишь такая деталь штампа, для изготовления которой правильно выбран материал. Применяется штамповая оснастка разъемной конструкции, что позволяет обеспечить высокую точность днищ и возможность съема отштампованного охлажденного днища с формообразующей поверхности пуансона. Применение штамповой оснастки стало зависимым главным образом от стоимости сменной вставки, необходимой для изготовления той или иной мелкой серии заготовок, что же касается стоимости универсального блока, то она должна быть отнесена к сумме всех деталей одного и того же технологического ряда. Достоинством данной штамповой оснастки также является его штампосварное исполнение, что позволяет увеличить ресурс работы и ремонтопригодность оснастки по сравнению с литой конструкцией.

Стоимость обычной штамповой оснастки для горячей штамповки составляет 15-30 % себестоимости штамповок, изготовленных в условиях крупносерийного производства. Парк штамповой оснастки современных штамповочных цехов оптико-механической промышленности достигает 7 - 10 тыс. единиц, а стоимость такого количества штампов составляет несколько миллионов рублей, иногда превышая стоимость основного оборудования штамповочного цеха. Поэтому необходимо так организовать систему штампового хозяйства, чтобы можно было в надлежащем порядке и работоспособном состоянии хранить огромное количество штампов, вести их учет и расчет оборотного фонда, правильную эксплуатацию, ремонт и технический надзор.

3.1 Матрицы для горячей объемной штамповки

В горячей объёмной штамповке используются молоты бесшаботной конструкции. Шабот заменен подвижной нижней бабой, связанной с верхней бабой механической или гидравлической связью. Энергия удара поглощается механизмами молота. При соударении верхней и нижней баб развивается значительная энергия, что позволяет штамповать поковки в одноручьевых штампах. Особенностями ГОШ на молотах являются ударный характер деформирующего воздействия и возможность регулирования хода подвижных частей и величины удара при одновременном кантовании заготовки, что позволяет более эффективно производить перераспределение металла. На молотах возможно выполнение всех заготовительных переходов, в том числе протяжки и подката. Верхняя часть штампа заполняется лучше. Части штампа при штамповке на молоте должны смыкаться. При штамповке в открытых штампах облойная канавка имеет вид, представленный на (рис. 11).

Рис. 11. Виды облойной канавки при штамповке на молотах: а - облойная канавка, б - клиновая облойная канавка.

Размеры облойной канавки (рис.11, а) назначаются в зависимости от сложности поковки и ее размеров в плане. Клиновая облойная канавка (рис. 11, б) позволяет снизить потери на облой в результате повышения сопротивления течению металла.

При закрытой штамповке на молотах применяются штампы с одним и двумя замками. Конструкции штампов представлены на (рис.12).

Штампы с одним замком используются чаще, так как они проще в изготовлении. Но они требуют точной наладки и хорошего состояния оборудования. Второй замок (больший конус) предохраняет первый замок и упрощает наладку штампа, но при этом увеличиваются его размеры и масса [4].

Рис. 12. Конструкции закрытых молотовых штампов: а - с одним замком; б - с двумя замками

Припуски на обработку поковок резанием назначают по ГОСТ 7505-89 "Поковки стальные штампованные". Допуски на размеры между обрабатываемыми поверхностями назначают по первому классу точности. В отдельных случаях допуски могут быть расширены.

Допуски на размеры между поверхностями, выполняемыми без последующей обработки резанием, назначают 0,2-0,3 мм. Напуски уменьшают за счет уменьшения штамповочных уклонов, а также более детального оформления торцового рельефа.

Для высоких, формуемых выдавливанием поковок желательно на части высоты поковки назначить уклон 0,5°. Для отштампованной поковки в нижнем штампе выполняют поднутрение в виде кольцевой выточки глубиной 0,3 - 0,5 мм и высотой 2 - 3 мм или обратный уклон 0,5 - 1°. Глубину полости в верхнем штампе делают на 20 - 30 % меньше, чем в нижнем, а штамповочные уклоны поковки для ее верхней половины назначают: наружные 1,5 - 3°, внутренние 5 - 7°; для нижней - наружные 0 - 1°, внутренние 3 - 5°.

3.2 Матрицы для горячей объемной штамповки на прессах

Наиболее часто используются кривошипные горячештамповочные прессы. Выбор пресса осуществляется по номинальному усилию, которое составляет 6,7 - 100 МН.

К особенностям конструкции пресса следует отнести жесткий привод, не позволяющий изменять ход ползуна, отсутствие ударных нагрузок.

Жесткий привод не позволяет производить переходы, требующие постепенно возрастающего обжатия с кантованием, (протяжка, подкат). Для фасонирования заготовки могут быть использованы заготовительные ручьи: пережимной, гибочный. Поэтому при штамповке на прессах сложных заготовок, имеющих удлиненную форму в плане (шатуны, турбинные лопатки), фасонирование осуществляется ковочными вальцами, свободной ковкой, высадкой на горизонтально-ковочных машинах.

Отсутствие ударных нагрузок позволяет не применять массивные шаботы, использовать сборную конструкцию штампов (блок-штампы).

При открытой штамповке на прессах части штампа не должны смыкаться на величину, равную толщине облоя. Полость штампа выполняется открытой и облойная канавка имеет вид, показанный на (рис.13).

Рис. 13. Вид облойной канавки при штамповке на прессах

Для закрытой штамповки используются штампы двух видов: с цельной матрицей, для изготовления поковок типа тел вращения, усилие распора в них воспринимается матрицей и не передается ползуну пресса; с разъемной матрицей, для легкого извлечения из полости штампа поковок, что позволяет значительно уменьшить штамповочные уклоны.

Поковки, полученные на прессах, характеризуются высокой точностью, которая достигается за счет снижения припусков на механическую обработку (в среднем на 20 - 30 % по сравнению с поковками, полученными на молотах) и допускаемых отклонений на номинальные размеры, снижения штамповочных уклонов в два - три раза. Наличие постоянного хода приводит к большей точности поковок по высоте, а жесткость конструкции пресса делает возможным применение направляющих колонок в штампах, что исключает сдвиг.

Производительность труда повышается в среднем в 1,4 раза за счет однократности и повышения мощности деформирующих воздействий. В результате себестоимость поковок снижается на 10 - 30%. Как показывают исследования, штамповка на прессах может быть экономически выгодной даже при загрузке оборудования на 35 - 45%. При штамповке на прессах деформация глубже проникает в заготовку, что позволяет штамповать малопластичные материалы, применять штампы с разъемной матрицей с боковым течением металла.

Процессу штамповки на прессах присущи недостатки: окалина вдавливается в тело поковки, для предотвращения этого необходимо проводить малоокислительный или безокислительный нагрев или полную очистку заготовки от окалины; из-за невысокой скорости деформирования время контакта металла с инструментом больше, чем на молотах, поэтому имеет место переохлаждение поверхности заготовки, что приводит к худшему заполнению полости штампа.

Условия эксплуатации штампов для объемной штамповки, в особенности для горячего деформирования, очень тяжелые. Штампы подвергаются многократному воздействию высоких температур и значительных нагрузок. Интенсивное течение металла в процессе формообразования поковки вызывает истирание (абразивный износ) поверхности ручья. Штампы для горячего деформирования в течение каждого цикла штамповки испытывают резкие колебания температуры, особенно при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей, что приводит к образованию на поверхности ручья разгарных трещин,

Штамповые стали должны обладать высокими механическими свойствами, сочетая прочность с ударной вязкостью, износостойкостью, разгаростойкостью, и сохранять эти свойства при повышенных температурах. Материалы штампов должны хорошо прокаливаться (при термической обработке), обрабатываться резанием и быть сравнительно дешевыми.

Выбор стали для штампа определяется условиями его эксплуатации (горячая или холодная штамповка, динамический или статический характер нагружения, способ смазки и охлаждения, величина удельных усилий штамповки, зависящая от сложности поковки и ее материала, схемы напряженного состояния в очаге деформации), габаритами штампа или вставки, серийностью производства и др. Поэтому для изготовления штампов применяют разнообразные по химическому составу и свойствам марки сталей. Однако их число стремятся свести на заводах к целесообразному минимуму, что облегчает заказ и получение штамповых материалов, изготовление штампов и их эксплуатацию [4].

3.3 Марки штамповых сталей

Марки штамповых сталей и химический состав регламентируются ГОСТ 5950-73 "Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия".

Для изготовления молотовых и прессовых штампов получили распространение стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС.5XНГМ. Полноценным заменителем дефицитных хромоникелевых сталей 5ХНВ и 5ХНМ является безникелевая сталь 4ХСМФ. Дешевыми сталями для высадочных штампов являются марки 4ХВ2С, 5ХВ2С, 7X3, 8X3.

При штамповке труднодеформируемых сплавов применяют высоколегированные стали 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 6ХЗВЗМФС, 5Х2ВМНФ и др. Эти же стали целесообразно применять для изготовления высоконагруженных детали штампов при выездке и выдавливании на ГКМ, ГШКП, горячевысадочных автоматах, высокоскоростных машинах.

Для повышения износостойкости и теплостойкости штамповых вставок, пуансонов и матриц широко применяют химико-термическую обработку поверхности ручья. Например, очень эффективно азотирование сравнительно небольших по габаритам вставок штампов ГШКП. Рабочие элементы обрезных штампов изготовляют из хромистых сталей типа 7X3, 6X3. Реже применяют стали 5ХНВ, 5ХГМ1, 4ХВ2С. Часто режущие кромки деталей штампа, выполненных из стали 45, наплавляют твердым сплавом.

Блоки для молотовых вставок, матриц для высадки изготовляю из сталей 40ХЛ, 40Л. При жидкой штамповке для инструмента используют стали 4Х5В2ФС, 4Х5ЭДФС, ЗХ2В8Ф; для изотермической штамповки титановых сплавов и сталей применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе типа ЖС6К, ЖС6У, керамические и металлокерамические сплавы, сплавы на основе молибдена.