Горячая объемная штамповка

Введение

Основной задачей объемной штамповки, как и других видов обработки металлов давлением (далее – ОМД), является придание заготовке требуемой формы путем пластической его деформации. В процессе пластической деформации структура металла изменяется. При правильной разработке технологического процесса обработки давлением и обеспечении необходимого термомеханического режима (с соответствующей последующей термической обработкой) можно создать в обрабатываемом металле такую структуру и механические свойства, которые бы в наибольшей мере удовлетворяли требованиям, предъявляемым к изготовляемой из него детали. Чем выше требования к прочности машин (особенно, когда прочность должна сочетаться с легкостью, например у автомобильного и авиатранспорта) тем больше в таких машинах деталей, полученных обработкой давлением.
Как способ придания металлу требуемой формы обработка давлением успешно соперничает с литейным производством и уступает ему только по сложности конфигурации получаемых деталей и иногда по стоимости производства, но по качеству металла отлитые детали уступают штампованным. Механические свойства (ударная вязкость, усталостная прочность и др.) металла кованых и штампованных деталей после соответствующей термической обработки выше, чем у металла литых деталей. [1]
Чем совершеннее процесс обработки давлением, тем меньше отходов металла. При этом многие процессы обработки давлением осуществляются вовсе без потерь металла. Кроме того, обработка давлением, как процесс формообразования, значительно производительнее и дешевле обработки резанием. Поэтому механическая обработка заготовок, получаемых обработкой давлением, часто сводится лишь к доводке размеров и улучшению качества поверхностей, деталей. Однако повышение точности размеров и улучшение качества поверхностей, получаемых при обработке давлением, приводит к тому, что во многих случаях этот способ обработки полностью вытесняет обработку резанием. [2]
Считалось, что изготовление деталей обработкой резанием имеет бесспорное преимущество перед изготовлением деталей методом ОМД по точности размеров и чистоте поверхности. Однако сегодня освоены процессы получения готовых деталей машин (крепежные, лопатки турбин и др.) путем выдавливания, калибровки, холодной объемной штамповки.
Внедрение новых технологических процессов и оборудования для ОМД приводит к получению изделий (например, шестерен зубчатых передач с готовым штампованным зубом) со значительно более высокими прочностными характеристиками и износостойкостью, чем это было возможно при применении процессов резания на завершающей стадии обработки.
В данной работе мы опишем такой вид ОМД, как объемная штамповка применительно к алюминиевым сплавом, дадим общую характеристику данного вида обработки, покажем процессы, происходящие в заготовке.


ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА

Штамповка, как и другие виды ОМД, основаны на использовании пластичности обрабатываемых заготовок, на их способности без разрушения изменять форму и размеры.
К металлам, обрабатываемым ковкой и штамповкой, относятся в первую очередь сталь различных марок, многие цветные сплавы, главным образом алюминиевые (дуралюмин), магниевые и медные (латунь, бронза), а также большинство сплавов на основе никеля (монель, нихром) и титана. [3]
Чистые металлы обладают более высокой пластичностью, чем сплавы. В соответствии с этим пластичность стали снижается с увеличением в ней содержания углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и легирующих элементов. Сталь, содержащая более 0,045% S, становится красноломкой, т. е. хрупкой при ковочных температурах; фосфор снижает пластичность стали в холодном состоянии (придает ей хладноломкость). Углерод, образуя карбиды, снижает пластичность и ковкость стали в большей мере, чем другие ее компоненты. Кроме того, углерод снижает ее теплопроводность и способность к кузнечной сварке. Кремний также снижает свариваемость стали. Марганец частично уменьшает вредное влияние серы, но вместе с тем снижает теплопроводность и способствует перегреву. Теплопроводность снижают также все легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий и вольфрам. Вместе с тем, молибден, ванадий и другие карбидообразующие элементы уменьшают склонность стали к перегреву. В последнее время в составе стали все более широко применяют титан, бор, церий и торий, которые в небольших количествах оказывают существенное влияние на ее свойства.
В соответствии с этим ковка и штамповка высокоуглеродистой и высоколегированной сталей требует специальных режимов. [1]
Некоторые цветные сплавы также обладают пониженной пластичностью и вместе С другими нежелезными сплавами имеют следующие основные особенности, которые приходится учитывать при их ковке и штамповке: узкие температурные интервалы ковки и повышенную чувствительность к скорости деформации, к схеме напряженного состояния и неравномерности (неоднородности) деформации.

Краткая история ОМД и основные направления дальнейшего развития

Кузнечная обработка – старейший способ изготовления металлических изделий. Широкое применение она получила с развитием металлургии бронзы, а затем – металлургии железа. Однако холодная ковка меди, самородного и метеоритного железа была известна еще задолго до того, как люди научились добывать металлы из руд. [1]
В VII–VIII вв. до н. э. на территории России ковку широко применяли скифские племена, а затем сарматы, и в IV–VI вв. – древние славяне.
Древние кузнецы были не только кузнецами в современном понимании, но одновременно и металлургами, литейщиками, сварщиками и термистами. Они же выполняли окончательную обработку и отделку металлических изделий, вплоть до ювелирных работ. Поэтому, например, в Древней Руси слово «кузнец» означало «мастер по металлу». Сложность и продолжительность выполняемых кузнецами работ привели к тому, что обработка металла раньше других ремесел специализировалась и отделилась от земледелия. Начиная с эпохи Древней Руси, кузнецы, как и другие мастера одной специальности, стали селиться в городах вместе, образуя особые улицы и слободы, и организовывать ремесленные корпорации.
В X–XI вв. русские кузнецы изготовляли серпы, косы и другие сельскохозяйственные орудия, различные предметы хозяйственного инвентаря, холодное оружие, шлемы и другие доспехи. Значительное развитие кузнечное ремесло получило в XV–XVI вв. кузнецы стали изготовлять пищали, пушки и ядра к ним, детали машин, строительных конструкций и т.п.
В XVI–XVII вв. кузнецы изготовляли сложные изделия, представляющие большую художественную ценность (люстры, оконные решетки, ворота и двери, воротные и подвесные замки), а также механизмы башенных часов, различное огнестрельное и холодное оружие. Большой художественный интерес представляют и более поздние кузнечные работы (XVIII в.), например кованые ограды, перила и ворота для зданий и парков Петербурга, его окрестностей и для Москвы.
Одновременно с развитием кузнечного производства происходит его специализация по отраслям. Так, тульские мастера специализируются преимущественно в изготовлении огнестрельного оружия; астраханские – булатного оружия; вологодские – в выделке якорей и гвоздей; муромские – гвоздей и разного скобяного товара; холмогорские – замков; бежицкие – серпов и кос; павловские на Оке – ножей и различных инструментов. Вместе с тем происходит разделение труда в самом кузнечном производстве.
Постепенно от него отделяются металлурги – поставщики исходного для ковки металла, топливники – заготовители дров и специалисты в получении углей и, наконец, выделяются первые специалисты по обработке резанием – слесари-сборщики. В XVII в. в России создаются первые металлообрабатывающие центры (Тульский, Сестрорецкий, Ижевский и др.), уже не связанные непосредственно с металлургическим производством. [3]
До XVI в. ручная ковка с использованием горна, наковальни и кувалды была единственным способом ковки поковок. В XVI в. появляются первые механические молоты с приводом от водяных мельниц (водяные молоты). В начале XVII в. в Туле строится новый оружейный завод с первой в России механизированной кузницей. Машины для нее строят тульский кузнец Марк Васильевич Сидоров и известный изобретатель Яков Батищев.
На рубеже XVIII–XIX вв. впервые начинают применять объемную горячую штамповку на молотах и прессах. Первым, освоившим на Тульском заводе технологию штамповки, был оружейник Василий Антонович Пастухов. Кузница Тульского завода оснащается канатными штамповочными молотами с ручным приводом и вертикальными винтовыми обрезными и чеканочными прессами также с ручным приводом. Все основные детали тульских ружей и пистолетов с начала 20-х гг. XIX в. штампуют в одноручьевых штампах с предварительной ковкой заготовок и последующими горячей обрезкой заусенца и горячей калибровкой поковок и штамповок. Аналогичную технологию быстро внедряли и на других русских и зарубежных металлообрабатывающих заводах.
Крупнейшим событием XIX в. в истории техники кузнечного производства явилось изобретение английским инженером Нейсмитом парового молота, сыгравшего большую роль в дальнейшем развитии машиностроения, транспорта и артиллерии. Первый паровой молот был построен в 1842 г. Конец XIX в. ознаменовался дальнейшим столь же крупным событием – применением в кузнечном производстве гидравлических прессов.
В первой четверти XIX в. так же, как и в эпоху Древней Руси, наше отечественное кузнечное производство было для того времени относительно высокой культуры и располагало достаточно совершенной техникой. Затем наступил период бурного развития капитализма в Западной Европе и в США, в истории же нашего кузнечного производства прошла полоса крайне медленного развития.
Годы подъема советской индустрии явились годами становления и бурного развития кузнечного и штамповочного производства.
Первый в Советском Союзе современный цех для горячей штамповки был пущен в 1928 г. в Ленинграде на ныне Кировском заводе. Затем в начале 30-х гг. были построены и пущены первоклассные штамповочные кузницы на тракторных заводах в Челябинске, Харькове и других, на автомобильных заводах в Москве и Горьком и других, а также первоклассные ковочные кузницы на заводах Свердловска. Одновременно была создана мощная база для производства кузнечного оборудования. В результате выполнения первых пятилетних планов наше кузнечное производство поднялось до уровня передового. Вместе с тем возросли требования, предъявляемые к современному кузнечному производству, изменились и условия, определяющие направление его дальнейшего развития. [4]
Непрерывное и быстрое совершенствование металлорежущего оборудования в течение XIX в. приводит к тому, что, начиная уже примерно с 70–80-х гг. XIX в., механические и механосборочные цехи становятся основой металлообрабатывающих и машиностроительных заводов. Технология обработки резанием развивается значительно быстрее других. Увеличивается объем переработки на металлорежущих станках пруткового проката. Вместе с тем кузнечные цехи, наряду с литейными, переходят в разряд заготовительных цехов.
Однако дальнейшее увеличение объема металлообработки, переход на крупные серии и организация массового производства убеждают в невозможности значительного роста машиностроительной промышленности без существенного подъема технологии так называемых заготовительных цехов. Поэтому с начала XX в. в технологии кузнечного производства ширится переход с ковки на штамповку, совершенствуются кузнечно-прессовое оборудование и приемы ковки и штамповки, что приводит к значительному снижению трудоемкости последующей механической обработки, к уменьшению объема производства в механических цехах. Внедряются новые кузнечные машины и новые способы более точной штамповки, в том числе калибровка поковок и поковок, с помощью которой можно полностью заменить обработку на металлорежущих станках. [1]
Современный этап развития кузнечного производства характеризуется внедрением всевозможных мероприятий по экономии обрабатываемого металла, снижением отходов при производстве, повышением коэффициента использования металла и выхода годного

. Увеличивается применение специальных слитков, а также проката специальных профилей и периодического.
Улучшаются экономические показатели кузнечного производства: снижается себестоимость поковок и стоимость их последующей обработки на металлорежущих станках; увеличивается выпуск поковок с каждой единицы кузнечно-штамповочного оборудования, с каждого квадратного метра производственной площади, на каждого производственного рабочего.
Для современного этапа развития кузнечного производства характерно также совершенствование:

способов и повышение качества нагрева;
внедрение скоростных и безокислительных методов нагрева, включая различные виды электронагрева, прежде всего индукционного;
переход от менее совершенных способов штамповки к более совершенным, в частности от штамповки в так называемых открытых штампах к штамповке в закрытых штампах;
повышение точности размеров и качества поверхности поковок; освоение производства поковок сложных форм;
широкое внедрение процессов холодной объемной штамповки и калибровки поковок;
широкое внедрение в кузнечную технологию производительных и экономичных методов прокатки и выдавливания;
модернизация действующих и внедрение более совершенных кузнечных машин, в частности переход от ковочных и штамповочных молотов на ковочные и штамповочные прессы;
создание новых видов машин;
освоение программного и дистанционного управления кузнечным оборудованием;
повышение мощности кузнечного и штамповочного оборудования для штамповки тяжелых и крупногабаритных поковок, а также внедрение цельноштампованных деталей взамен сборных конструкций. [3]

В последние годы все больше развивается штамповка поковок из сплавов алюминия, магния и титана, а также из трудно деформируемых сталей и сплавов. Одновременно быстро развивается выдавливание титана, магния, никеля, латуни, меди и стали.

Технология объемной штамповки

Штамповку выполняют с использованием специального инструмента – штампа, который состоит из двух частей и более. Полости штампа называются ручьями. Заготовка, деформируясь в ручьях, заполняет полости и принимает форму штамповки. Течение метала при штамповке принудительно ограничено поверхностями инструмента, что вызывает перераспределение объема металла заготовки.
Распространение штамповки, как уже говорилось, связано с развитием машиностроения, особенно автомобильной промышленности, когда возникла необходимость организации массового производства однотипных поковок. Помимо высокой производительности штамповка обеспечивает получение поковок с высокой точностью размеров, что уменьшает расход металла на изготовление детали и снижает трудоемкость при последующей обработке резанием. Кроме того, штамповка обеспечивает получение высокого качества поверхности поковок, при этом исключается необходимость последующей обработки резанием всей штамповки – обрабатывается лишь та ее часть, которая будет соприкасаться с другими деталями. Последующие за штамповкой отделочные операции, например, калибровка в холодном состоянии, повышают качество поверхности поковок, а допуски размеров при этом снижаются до ±0,05 мм. [3]
Исходным материалом для горячей штамповки являются сортовой прокат, прессованные прутки, калиброванный металл, литая заготовка и жидкий металл. В крупносерийном производстве деталей находят большое применение заготовки из проката периодического профиля, что обеспечивает в процессе штамповки сокращение подготовительных операций. Исходный материал в заготовительном отделении разрезают на мерные длины. Эту операцию выполняют на хладноломах, кривошипных прессах, механических пилах или производят газовой и электрической резкой. Перед горячей штамповкой заготовки нагревают до температур, определяемых условиями деформирования.
Технологический процесс штамповки отличается значительным разнообразием и определяется видом изделия и применяемым оборудованием. Штамповку производят на молотах, прессах, горизонтально-ковочных машинах, вальцовкой, раскаткой, ротационной ковкой и пр.
Горячую штамповку выполняют двумя методами: облойным (с заусенцем) в открытых штампах и безоблойным (при отсутствии заусенца) в закрытых штампах.

Рис.1. Облойная штамповка в молотовом штампе:
1 – верхний штамп; 2 – изделие; 3 – облой; 4 – нижний штамп [4]

Сущность облойного метода заключается в том, что штамповка по месту разъема штампа вследствие избытка металла получается с заусенцем (облоем). Наличие облоя (рис.1) способствует хорошему заполнению полостей штампа, ибо сам заусенец начинает образовываться раньше заполнения ручьев.
При последующей штамповке заусенец создает подпор, т.е. заусенец выполняет определенную технологическую функцию.
Поэтому заусенцу придают целесообразную форму – заусеничную щель между частями штампа выполняют в виде специальной канавки по периметру штамповка. По окончании пластической обработки облой удаляют на обрезных штампах. Этот способ, несмотря на потери металла в виде заусенца, получил значительное распространение, так как надежно обеспечивает заполнение полостей штампа. Объем заготовки при этом может быть лишь приблизительно равен необходимому.
При безоблойной штамповке заготовку помещают в полости одной части штампа (в матрице) и процесс деформирования выполняют другой частью (пуансоном) (рис.2). При этом облой в изделии не предусматривается. Незначительный заусенец, который может иметь место по плоскости разъема, не оказывает влияния на процесс штамповки и является результатом неточности размеров заготовки.
Для облегчения свободного удаления штамповки из штампа его стенки изготовляют с уклоном или применяют выталкиватели.

Рис. 2. Безоблойная штамповка в молотовом штампе:
1 – верхний штамп; 2 – изделие; 3 – нижний штамп [4]

Пониженный расход металла при штамповке данным способом является преимуществом, однако формы поковок при этом менее разнообразны, чем при изготовлении в открытых штампах с облоем.
Как при открытой, так и при закрытой штамповке обработка заготовок может выполняться в одном или нескольких ручьях.
В условиях многоручьевой штамповки заготовка изменяется при переходе от одного ручья к другому, в чистовом ручье ей придаются окончательная форма и размеры. В зависимости от условий производства ручьи при многоручьевой штамповке могут размещаться в одном общем или нескольких штампах ковочных машин.
Процесс штамповки выполняют на различных установках. Однако наибольшее распространение получила штамповка на молотах (паровоздушных, фрикционных, бесшаботных), прессах (кривошипных, винтовых, гидравлических) и горизонтальноковочных машинах. Каждый из этих видов штамповки обладает специфическими особенностями. Рассмотрим эти методы более подробно.

Штамповка на молотах

Широкое применение молотов при штамповке определяется рядом достоинств этого вида оборудования и методов обработки. При штамповке на молотах можно быстро и многократно деформировать заготовку в каждом ручье, осуществлять чрезвычайные энергоемкие операции и большие суммарные деформации.
При штамповке используются паровоздушные молоты с массой падающих частей от 630 кг до 25 т. Используются также фрикционные молоты с доской с массой падающих частей от 500 до 1500 кг. Помимо того применяются бесшаботные молоты, деформирование металла в которых производится путем встречного движения верхнего и нижнего штампов.
При штамповке на молотах используют открытые штампы.
В зависимости от сложности получаемого изделия штамповка может быть одноручьевой и многоручьевой. В последнем случае каждый ручей имеет определенное назначение, поэтому их подразделяют на штамповочные и заготовительные.
Штамповочные ручьи – черновой (предварительный) и чистовой (окончательный) – обеспечивают получение необходимой формы и размеров изделия. В плоскости разъема чистового ручья штампа по его периметру выполняют канавку для облоя. Обработку в чистовом ручье выполняют обычно за 2–3 удара молота.
Обработка в черновом ручье способствует увеличению стойкости чистового ручья. Обработкой в черновом ручье выполняется значительное формоизменение заготовки, поэтому на него приходится в 1,5…2 раза больше ударов молота по сравнению с обработкой в чистовом ручье.
К другой группе ручьев относятся заготовительные (протяжной, пережимной, формовочный и гибочный, площадка для осадки), используемые для первоначальной обработки при переходе от простейшей формы заготовки к более сложной с постепенным приближением к окончательной форме изделия. [5]
Протяжной ручей используют для удлинения отдельных участков заготовки за счет изменения площади ее поперечного сечения.
Подкатной ручей используют для увеличения поперечного сечения одних участков заготовки за счет уменьшения других при необходимости распределения объема металла в изделии по длине.
Пережимной ручей используется в тех случаях, когда необходимо получить местное уширение заготовки без перераспределения металла вдоль оси.
Формовочный ручей применяют для придания штамповке необходимой формы в плоскости, параллельной действующей силе, а также для некоторого набора металла.
Гибочный ручей необходим при штамповке изделий, имеющих изогнутую ось в плоскости разъема.
К третьей группе ручьев относятся отрубные – передний и задний ножи. Отрубной нож применяют при отделении штамповки от прутка, удалении клещевины, т.е. участка, за который удерживается штамповкой при штамповке, а также при разрубке поковок на две или более части, если из одной заготовки одновременно штампуют несколько изделий.
В зависимости от конфигурации изделий, размеров и требований в отношении направления волокна в штамповке используют те или иные виды ручьев. На рис. 3 показаны расположение ручьев в многоручьевом штампе и последовательность изменения заготовки в готовую штамповку шатуна.


Рис.3. Молотовой штамп и схема изменения заготовки в штамповку шатуна:
1 – протяжной ручей; 2 – подкатной ручей; 3 – предварительный ручей; 4 – гибочный ручей; 5 – окончательный ручей [4]

При штамповке на молотах применяют не только открытые, но и закрытые штампы. При этом заготовительные ручьи не имеют отличий. Различие наблюдается лишь в штамповочных (чистовых) ручьях и в объеме применяемой заготовки. При обработке в открытом штампе масса облоя составляет обычно 15…20% от массы штамповки, при производстве мелких и сложных изделий масса облоя иногда равна массе самого изделия. Все это указывает на определенную выгодность применения закрытых штампов, когда в заусенец, который получается вследствие незначительного затекания металла в зазоры между частями штампа, попадает всего лишь 1…2% металла от массы поковок.
При безоблойной штамповке требуемая мощность кузнечных машин может быть на 40% меньше, чем при облойной штамповке, однако стойкость штампов часто оказывается более низкой.

Штамповка на прессах

Помимо молотов для горячей штамповки широко применяются кривошипные и гидравлические прессы.
Штамповка на кривошипных прессах получила значительное распространение лишь к середине XX века и в результате заметного экономического эффекта во многих случаях вытесняет штамповку на молотах. Кривошипные прессы изготовляют усилием от 630 до 80 000 кН и более. Соответствие мощности молотов и кривошипных прессов 10 000 кН соответствует 1 т веса падающих частей молота.
Ползун кривошипного пресса совершает возвратнопоступательное движение под действием кривошипно-шатунного механизма и имеет постоянное значение хода и определенные нижнее и верхнее положения