Весьма перспективно при горячей объемной штамповке применение литых штампов, изготовляемых вместе с ручьями. Для литых штампов используют стали, в основном, подобные по составу сталям для ковочных штампов. Применение литых штампов повышает стойкость инструмента, снижает трудоемкость изготовления штамповой оснастки, позволяет более экономно расходовать стали за счет многократного переплава изношенного штампа и др.
Детали штампов для холодного объемного деформирования
изготовляют из высокоуглеродистых (У10А), среднелегированных (9ХС, ХВГ) и
высоколегированных (Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ, Р18 и др.) сталей. Стали У10А, 9ХС, ХВГ
обладают сравнительно невысокой прочностью, поэтому их используют в основном
для малонагруженных элементов штампа (выталкивателей, опорных прокладок и
т.п.). Высоколегированные стали после термической обработки приобретают высокие
показатели твердости, прочности и вязкости [5].
Технологический процесс изготовления штампованной поковки состоит в общем случае из следующих основных операций: разделки проката на мерные заготовки, нагрева, штамповки, обрезки заусенца, термической обработки, чистки от окалины, правки, калибровки. Проектирование технологического процесса штамповки включает выбор способа штамповки, составление чертежа поковки, выбор перехода штамповки, определение мощности штамповочного оборудования (массу подающих частей молота или усилий пресса), конструирование штампов, выбор способа и разработку режимов нагрева, определение видов отделочных операций и техника - экономического процесса.
Чертеж поковки составляют по чертежу детали в последовательности: выбирают поверхность разъема штампов, то есть решают вопрос о том, какая часть поковки будет находиться в верхней или нижней части штампа по ГОСТ 7505-89 "Допуски, припуски и кузнечные напуски" назначают припуски, штамповочные уклоны, допуски, напуски, радиусы закруглений; указывают основные технические условия на поковку.
Нагрев при штамповке. Температурный интервал и типы нагревательных устройств. Способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации. Для увеличения ковкости, то есть повышения пластичности и снижения сопротивления деформирования, обычно повышают температуру металла.
Температура нагрева для разных металлов различна. Эта температура имеет нижний и верхний пределы, между которыми находится температурный интервал штамповки, то есть область температур, при которых целесообразно проводить горячую штамповку.
Металл поковок хорошего качества получают при определенных температурах. При этом нижний предел определяется температурой фазовых превращений.
Температурный интервал объемной горячей штамповки зависит в основном от химического состава металла и от других свойств, определяемых этим составом. Температурный интервал обусловливается комплексом испытаний.
Для определения оптимального температурного интервала рассматривают изменение механических характеристик в зависимости от температуры. Реальный металл представляет собой скопление зерен - кристаллов разнообразных размеров, форм и направлений кристаллографических осей. Подобное строение называется поликристаллическим. Металлы и сплавы в нормальных условиях имеют кристаллическое строение. Горячая деформация поликристалла происходит в том случае, когда металл получает полностью или частично рекристаллизованную структуру. Рекристаллизация снимает упрочнение и исключает искажение форм зерен
Однако при температурах, близких к пережогу, наблюдается большой рост зерна и образование крупнозернистого строения металла - перегрев металла. Из крупнозернистого строения всегда можно получить мелкозернистое. Это приводит к крупнозернистому менее качественному строению металла поковки. Поэтому необходимо устанавливать верхнюю границу температурного интервала штамповки ниже температуры, при которой интенсивно растет зерно.
При температурах выше 1470°С и вблизи температуры плавления находится зона хрупкости металла - зона пережога. При пережоге кислород диффундирует внутрь металла, и окисляет границы зерен, которые при этом оплавляются, так как окислы железа имеют меньшую температуру плавления, чем сам металл. Штамповка при пережоге не возможна. Таким образом, верхняя граница температурного интервала не должна находиться ниже зоны пережога.
При температурах 750-800°C сопротивление деформированию остаётся относительно постоянным, а пластичность уменьшается. Это объясняется фазовыми превращениями, происходящими в металле. Наиболее пластичной структурой является структура аустенита. При наличии двухфазной структуры пластичность снижается. Низкоуглеродистые и углеродистые стали при температурах 1100-1200°С имеют чисто аустенитную структуру. Исходя из однофазности структуры и повышенной пластичности, температуру 1200°С можно принять за верхний предел температурного интервала деформации для углеродистых сталей. У высокоуглеродистой стали при 1100°С структура двухфазная: аустенит и цементит, последний образует хрупкую сетку по границам зерен. Для пластичности стали цементитную сетку надо раздробить с тем, чтобы цементит образовал отдельные зёрна в металле поковки. При этом твёрдость и прочность металлов останутся высокими.
Верхний предел температур деформации, для высокоуглеродистой стали, целесообразно принять за 1100°С, а давление должно производится осторожно с учетом того, что пластичность снижена из-за наличия двухфазной структуры.
Нижний предел температур деформации должен находиться выше температур фазовых превращений. При установлении нижнего предела температур штамповки необходимо учитывать массу поковки, наличие или отсутствие последующей термообработки, способ охлаждения и т.д. Так при большой массе поковки и высокой температуре окончания процесса штамповки, поковка остывает медленно, и размельченное деформацией может вновь, вырасти. При малой массе поковки, до 100 кг, температура конца штамповки может быть более высокой, но из-за быстрого охлаждения, зерно не успевает вырасти и остается измельченным.
Штамповка сталей при температурах ниже 723°С приводит к упрочнению. У некоторых металлов и сплавов нет фазовых превращений. В этом случае нижний предел температур определяется именно упрочнением.
Данные о температурном интервале штамповки можно найти в соответствующих справочниках. В цехах горячей объёмной штамповки применяют полуметодические печи и печи с вращающимся подом, представляющие собой разновидность полуметодических печей. Кроме пламенных печей, для нагрева небольших заготовок из черных и цветных металлов и сплавов применяют электропечи сопротивления. При нагреве в этих печах угар значительно меньше, чем в пламенных. Температура в электропечах поддерживается автоматически в соответствии с заданным режимом.
В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредственно в заготовке. Широкое распространение в промышленности нашли установки для индукционного нагрева и контактного нагрева сопротивлением. В электронагревательных устройствах скорость нагрева заготовок в 8-10 раз больше, а угар металла в 4-5 раз меньше, чем при печном нагреве. Практическое отсутствие окалины на заготовке уменьшает износ штампов и позволяет штамповать точные поковки. Эти установки в ряде случаев наиболее выгодно применять для нагрева заготовок под горячую объемную штамповку. Электронагрев улучшает санитарно - гигиенические условия труда благодаря отсутствию излучения и газообразования.
Установка для индукционного нагрева имеет индуктор в виде витков медной трубки, по которой циркулирует вода для охлаждения и генератор для получения токов высокой или промышленной частоты. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг его витков возникает переменное поле индукции. При установке в индуктор заготовки, в последней, возбуждаются вихревые токи разогревающие ее.
Форма и размеры заготовок влияют на нагрев: чем меньше длина, тем быстрее нагрев. При длине заготовки большей трем диаметрам заготовки на скорость нагрева дальнейшее изменение длины не влияет.
Чем больше нагреваемая поверхность заготовки, тем больше теплоты перейдет в заготовку и тем быстрее протекает нагрев. Чем больше размеры заготовки, тем больше время нагрева вследствие того, что площадь поверхности, приходящаяся на единицу объёма нагреваемой заготовки, будет меньше. Теплопроводность, теплоемкость и плотность заготовки влияют на нагрев. Чем больше теплопроводность, тем быстрее отводится теплота с поверхности и передается внутрь заготовки. Чем меньше теплопроводность, тем больше температурный градиент в различных сечениях заготовки. Чем больше теплоемкость, тем больше времени нагрева. Теплоемкость в зависимости от температуры изменяется незначительно.
Чем больше плотность заготовки, тем больше требуется теплоты для нагрева единицы объема. При нагреве возникают термические структуры напряжения, которые могут разрушить металл. Если металл достаточно пластичен, то в местах наибольших термических напряжений происходит пластическая деформация без его разрушения.
Чем выше пластичность металла, тем больше скорость нагрева. Пластичные металлы и сплавы можно нагревать быстро даже при низкой теплопроводности и большого температурного градиента. Пластичность стали увеличивается по мере нагрева при температурах свыше 600 - 700°С ее можно нагревать с большой скоростью.
После нагрева следуют процессы объемной горячей
штамповки (штамповка на горизонтально-ковочных машинах, ротационные способы
изготовления поковок, штамповка жидкого металла).
При горячей штамповке в отработанных штампах образуется радиальный заусенец, который обрезают на специальных обрезных прессах. Обрезной штамп состоит из трех основных частей: обрезной матрицы, обрезного пуансона и нижней плиты. Кроме того, штамп может быть снабжен съемником, пуансонодержателем в матрицу и движением пуансона проталкивают через нее. При этом срезают заусенец, здесь режущим элементом является матрица, а падающим - пуансон. Заусенец обрезают в горячую и в холодную. Поковки большой и средней масс, штампуют на молотах с массой падающих частей больше одной тонны, имеют относительно толстый заусенец, который целесообразно обрезать в горячем состоянии, непосредственно после штамповки. Тонкие заусенцы мелких поковок легко обрезать в холодном состоянии.
Если в поковках есть сквозные отверстия, то при штамповке выполняют наметки и оставляют пленку. Эту пленку прошивают после штамповки аналогично тому, как обрезают заусенец (на тех же обрезных прессах). Толщина пленки значительно больше толщены заусенца, поэтому прошивают обычно в горячем состоянии.
Для обрезания заусенец и прошивки отверстий в поковках, применяют кривошипные обрезные прессы для особо крупных поковок - гидравлические прессы усилием более 1600 тс. Они представляют представляют собой вертикальные однокривошипные двухстоечные прессы.
Производительность на обрезном прессе должна соответствовать производительности штамповки на основной штамповочной машине.
Калибровка поковок, есть разновидность обработки давлением, при которой за счет небольшого обжатия отдельных участков или всей поковки повышают точность ее размеров. При калибровке улучшаются качество поковки и точность поковок по массе. Калибровка в отдельных случаях может заменить обработку резаньем.
Правкой поковок называют разновидность обработки металлов давлением, с помощью которой исправляют искривления поковок. Правят в горячем и холодном состояниях. Чаще используют холодную правку.
Горячую правку сложных поковок или поковок, имеющих отверстие, выполняют на специальных правочных штампах. Правочный штамп одноручьевой.
Холодная правка - производительный и экономичный процесс, поэтому, где возможна холодная правка, надо избегать горячей. Холодную правку проводят после термообработки и очистки поковок от окалины. В холодную правят в основном сложные поковки небольших и средних масс.
Крупногабаритные удлиненные поковки правят гибкой на подкладках обычно на гидравлических, одностоичных прессах. Конструкции правочных штампов различны. Фрикционные молоты с доской являются основным оборудованием для холодной правки. После штамповки на поверхностях стальных поковок остается окалина, которая затрудняет последующую обработку резанием и ухудшает их качество. Поковки очищают от окалины после обрезки заусенца, прошивки отверстий и термообработки. Существует несколько способов очистки: травлением, галтовка и дробометная очистка. Травление состоит в окунании поковок в раствор определенного состава на 15 минут. Таким способом очищают от окалины крупногабаритные поковки сложных форм.
Галтовкой очищают от окалины поковки небольших и средних масс простых форм типа валиков или шестерен без отверстий. В барабан, вращающийся вокруг своей горизонтальной оси, загружают поковки одновременно с шарами и чугунными звездочками. При вращении поковки, шары и звездочки ударяются друг о друга и окалина отскакивает.
Дробометной очисткой очищают окалины мелко - и
среднегабаритные поковки сложных форм. Очистка состоит в нагнетании с большой
скоростью из сопла чугунной дроби на очищаемые поверхности поковок. При ударе
дроби о поверхность поковки окалина сбивается [2].
Для холодной объемной штамповки и высадки стальных деталей на автоматах наиболее эффективно и часто применяют фосфатирование с последующим омыливанием. Однако фосфатирование имеет ряд недостатков (сложность и токсичность процессов, загрязнение полостей штампа, невозможность фосфатирования заготовок из лигированных сталей и сплавов и т.д.), следовательно, следует использовать жидкие технологические смазки.
При горячей штамповке смазка штампов должна снижать трение и, кроме того, быть бездымной, не терять смазочных свойств при разогреве штампа, гарантировать высокую чистоту поверхности поковок, предотвращать налипание металла на инструмент и обеспечивать его высокую стойкость. Качество смазки оценивается с учетом "кроющей" способности, негорючести, недефицитности, невысокой стоимости, простоты нанесения и т.п.
Под эффективностью смазки обычно подразумевается уменьшение работы деформации при изготовлении поковок, а также возможность применения меньших штамповочных уклонов и уменьшение износа штампов. Однако применение смазки может обеспечить также уменьшение угара металла, в частности, если смазку наносят непосредственно на заготовку. Смазку можно использовать и как теплоизолятор, предотвращающий вредный чрезмерный разогрев штампов. При пульверизационной подаче смазки одновременно возможно удаление из ручья окалины (вместо обдувки штампа).
В табл.1 приведены составы смазок, применяемые в кузнечно-штамповочных цехах. Мазут и древесные опилки не рекомендуются вследствие выделения ими при сгорании большого количества дыма, в этом отношении хорошо себя зарекомендовали солевые смазки.