Методы обработки металлов

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 1. ПРОКАТКА ..................................................................................................... 6 1.1. Продольно-периодическая прокатка ................................................... 6 1.2. Поперечная, поперечно-винтовая, поперечно-клиновая прокатки . 7 1.3. Дефекты прокатки ................................................................................ 11 2. РАСКАТКА..................................................................................................... 13 2.1. Раскатка кольцевых заготовок (радиальная) ..................................... 13 2.2. Кольцевая раскатка .............................................................................. 14 2.3.Торцовая раскатка ................................................................................. 18 3. РАЗДАЧА ........................................................................................................ 21 4. НАКАТКА ....................................................................................................... 23 4.1. Накатка зубчатых профилей ............................................................... 23 4.2. Накатка резьб профилей ...................................................................... 24 5. БЕЗОТХОДНАЯ ШТАМПОВКА ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ДЕФОРМИРУЮЩИМСЯ МЕТАЛЛОМ ..................................................... 27 6. СВОБОДНАЯ ГИБКА .................................................................................. 28 7. ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ....................................................................... 32 8. ШТАМПОВКА ПОКОВОК ИЗ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА ...................... 36 8.1. Принципы штамповки поковок из жидкого металла ....................... 36 8.2. Штамповка точных поковок из жидкого металла ............................ 38 9. ОБЪЕМНАЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА ............................ 41 3 10. ШТАМПОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ .............................................................................. 43 10.1. Характеристика состояния свойств пластичности сплавов........... 44 10.2. Область применения сверхпластичности при штамповке ............. 45 11. ВАЛКОВАЯ ШТАМПОВКА .................................................................... 46 11.1. Основные схемы валковой штамповки............................................ 46 11.2. Классификация процессов валковой штамповки ........................... 48 12. НАВИВКА ПРУЖИН И ГИБКА ПРОВОЛОКИ НА АВТОМАТАХ.............................................................................................. 53 13. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................................................. 54 14. МАГНИТНОИМПУЛЬСНАЯ ШТАМПОВКА..................................... 60 14.1. Раздача магнитноимпульсной штамповкой .................................... 60 14.2. Плоская штамповка............................................................................ 61 15. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА ................................ 64 16. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МЕТОДЫ ШТАМПОВКИ ....................... 69 17. ВЫСОКОТОЧНАЯ ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА ......... 73 17.1. Преимущества высокоточной горячей объемной штамповки ...... 73 17.2. Области применения точной горячей штамповки .......................... 74 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 76 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ............................................................................. 77 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................................... 78 4 ВВЕДЕНИЕ Наряду с совершенствованием традиционной технологии обработки металлов давлением (ОМД) на базе автоматизации производства осуществляется поиск, развитие и совершенствование новых методов обработки. Специальные целесообразны в способы мелкосерийном процессов и ОМД серийном экономически производствах при изготовлении заготовок, и деталей сложной пространственной формы из малопластичных классических эффективным, материалов способов либо и в том методов невозможным. случае, ОМД когда использование оказывается Рассматриваемые либо не специальные способы ОМД позволяют существенно расширить технологические возможности промышленных предприятий. Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением. Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических тенденцией и физико-химических развития ОМД является свойств металла. повышение Основной эффективности технологических операций на базе ресурсо-энергосбережения, повышение культуры производства. Данное учебное пособие существенно позволяет повысить технологические знания студентов выпускающихся курсов в области обработки давлением. 5 1. ПРОКАТКА 1.1. Продольно-периодическая прокатка Продольно-периодическую прокатку (ППП) выполняют в 2-,3-,4вальцевых станах. а б в г Рис. 1. Схемы станов ППП: А ̶ двухвалковая; б ̶ трехвалковая; в ̶ четырехвалковая; г ̶ стан-пресс Периодические профили подразделяют на следующие виды: 1 ̶ с периодичностью профиля, лишь со стороны одного валка; 2 ̶ с периодичностью профиля со стороны двух или нескольких валков; Первый тип: калибровка имеет переменный профиль. Второй тип: оба валка (или все валки) имеют переменный профиль ручьев; однако по углу поворота относительно друг друга валки могут быть устанавливаться произвольно, точного совпадения фигур не требуется. Профиль первого и второго видов можно прокатывать на сортовых прокатных станах или вальцах. Периодические профили с плавными переходами можно прокатывать на стане-прессе, имеющем гладкие валки постоянного радиуса, перемещающиеся в процессе прокатки относительно друг друга. 6 1.2. Поперечная, поперечно-винтовая, поперечно-клиновая прокатки При поперечной прокатке инструмент придает заготовке вращательное движение, в связи с этим поперечная прокатка и ее разновидности ̶ поперечно-винтовая и поперечно-клиновая ̶ служат лишь для обработки тел вращения, отрабатывая металл в поперечном направлении. Рис. 2. Схемы поперечной прокатки: 1, 2 ̶ валки; 3 ̶ заготовка; 4 ̶ оправка; 5 ̶ подвижная плита; 6 ̶ неподвижная плита; 7 ̶ барабан; 8 ̶ сегмент Производительность процесса по сравнению с обработкой на токарных автоматах увеличивается более чем в 10 раз, коэффициент использования материала (КИМ) больше на 30...60%. Повышается качество продукции: повышается прочность и износостойкость. Поперечная прокатка может осуществляться в двухвалковом или трехвалковом прокатном стане (рис.2, а ̶ г), валки которого вращаются в одну сторону, придавая находящейся между ними заготовке вращение в обратную сторону. 7 Для заготовки обеспечения через зону непрерывности процесса деформации окружные при прохождении скорости валков двухвалкового прокатного стана делают разными (V1 > V2) за счет разных рабочих диаметров валков (D1 > D2). Для продвижения заготовки через очаг деформации применяются специальные проталкивающие устройства, т. е. прикладывается усилие Q. Обжатие заготовки по мере ее вращения между валками производится сближением валков в процессе поперечной прокатки (рис. 2, б-г). Такой прием используют при прокатке шестерен. В этом случае применяется производительное синхронное вращение заготовки с целью получения точных зубьев шестерен. Поперечную прокатку полых изделий выполняют на оправке (рис. 2, в). Поперечную прокатку можно производить в поступательно движущемся инструменте (рис. 2, д, е), как без перемещения оси заготовки (V1 = V2 , рис. 2, д), так и при ее перемещении (V1 > V2, рис. 2, е). Таким образом производят накатку резьбы на резьбонакатных станках. Поперечную прокатку осуществляют также в барабанных станках (рис. 2, ж), в валково-сегментных станках (рис. 2, з). Поперечно-винтовая прокатка (косая прокатка) ̶ поперечной прокатки, когда валки двух- и разновидность трехвалкового стана располагаются под углом друг к другу и к оси заготовки, которая получает не только вращательное движение, но и движение вдоль оси заготовки, что способствует непрерывности процесса (рис.3). Поперечно-винтовую прокатку применяют при производстве труб и трубных заготовок на двух- и трехвалковых станах ( втулок различных видов )для подготовки заготовок под штамповку. 8 Рис. 3. Поперечно-винтовая прокатка в конусных калибрах: 1 ̶ левый валок; 4 ̶ гильза; 2 ̶ заготовка; 5 ̶ оправка; 3 ̶ правый валок; 6 ̶ штанга Рис. 4. Поперечно-винтовая прокатка в спиральных калибрах 1 ̶ валок; 2 ̶ заготовка; 3 ̶ валок Поперечно-клиновую прокатку выполняют в инструменте, имеющем боковые наклонные грани, расположенные под углом к плоскости вращения. В процессе прокатки эти грани заставляют перемещаться избытки металла, возникающие при внедрении инструмента в заготовку, 9 т. е. способствуют перераспределению металла вдоль оси заготовки. Оставшаяся часть металла на данном участке прокатывается между инструментами, приобретая их профиль в продольном сечении тела вращения (рис. 5). При движении инструмента обжатие заготовки по мере ее вращения происходит постепенно, в зонах прямого контакта; форма инструмента имеет вид клина. Поперечно-клиновой прокаткой получают как готовые изделия, так и заготовки под штамповку. Рис.5. Схема поперечно-клиновой прокатки 1 ̶ клин верхний; 2 ̶ заготовка; 3 ̶ клин нижний В двухвалковом стане (рис. 6, а) заготовка удерживается в рабочей зоне направляющими. Возможна прокатка изделий из прутка, что эффективно при изготовлении коротких деталей. Трехвалковые станы (рис. 6, б) снижают вероятность разрушения заготовки в ее осевой зоне. Валково-сегментный стан (рис. 6, в) работает только со штучной заготовкой при относительно невысоких требованиях по точности изделия. 10 а в б Рис. 6. Основные схемы поперечно-клиновой прокатки: а ̶ двухвалковый стан, б ̶ трехвалковый стан, в ̶ валково-сегментный стан 1.3. Дефекты прокатки Дефекты поперечной прокатки могут иметь различное происхождение: возникающие при плавке, прокатке, волочении и т. д. Они во многом аналогичны дефектам, получаемым при обычной прокатке и штамповке: трещины, плены, закаты, завальцованные заусенцы, однако при поперечной прокатке встречаются дефекты и виды брака, свойственные только поперечной прокатке. Это осевая рыхлость, вскрытие осевой или кольцевой полости, образование трехгранных тел вращения, имеющих постоянный диаметр (рис. 7). 11 а б в г Рис.7 Дефекты прокатки: а ̶ осевая рыхлость; в ̶ вскрытие кольцевой полости; б ̶ вскрытие осевой полости; г ̶ трехгранное тело вращения. Осевая рыхлость и вскрытие осевой рыхлости (рис. 7, а) и (рис. 7, б) возникают вследствие появления в зоне деформации растягивающих напряжений (свойственно прокатке на двухвалковом стане). При прокатке на трех-, четырехвалковых станах (рис. 7, а) и (рис. 7, б) наблюдается значительно реже. Трехгранная форма тела (рис. 7, г) образуется при больших обжатиях, когда происходит проскальзывание относительно прокатываемой заготовки то по одну, то по другую сторону валка. Кроме того, могут присутствовать следующие дефекты: 1 – неметаллические включения вследствие засорения шлаками, продуктами раскисления, огнеупорными материалами, выявляются при резке заготовок и при просмотре микро- и макрошлифов. 2 ̶ царапины могут быть не более 0,1 мм для диаметра до 20 мм и не более 0,2 мм для диаметра до 40 мм. 3 – волосовины тонкие продольные трещины после прокатки (газопузырьковым вытягиванием). 4 ̶ завальцованные заусенцы. 5 ̶ обезуглероживание S не более 0,08 мм диаметром до 6 мм или S  0,20 при диаметре более 20 мм. 12 2. РАСКАТКА 2.1. Раскатка кольцевых заготовок (радиальная) Радиальная раскатка – это технологическая операция формоизменения, при которой происходит одновременное увеличение наружного диаметра и диаметра отверстия за счет уменьшения толщины стенки детали, при этом может быть также изменена форма поперечного сечения кольца. Радиальная раскатка осуществляется в процессе деформации валками на специализированных кольцераскатных машинах и применяется для изготовления кольцевых деталей диаметром от 50...70 мм до 7000 мм, шириной от 5...7 мм до 1200 мм и массой от нескольких десятков граммов до 12,5 т. Радиальная раскатка выполняется в горячем, полугорячем и холодном состояниях. По схемам формоизменения радиальную раскатку кольцевых заготовок разделяют на: 1) открытую; 2) полуоткрытую; 3) закрытую; 4) полузакрытую. Наиболее распространена открытая раскатка. Рис. 8. Схема открытой радиальной раскатки: 1 ̶ исходная заготовка; 4,5 ̶ направляющие валки; 2,3 ̶ рабочие валки; 6 ̶ контрольный ролик 13 2.2. Кольцевая раскатка В настоящее время в промышленности повсеместно стремятся внедрить в производство ресурсосберегающие виды техники и технологии, позволяющие сократить расход металла и повысить производительность труда. К таким технологическим процессам относится и кольцевая раскатка. В зависимости от размеров обрабатываемой заготовки кольцевую раскатку осуществляют различными способами. Мелкие заготовки массой до десятков килограммов раскатывают на универсальных воздействия на токарных заготовку станках. Раскатку раскатным осуществляют роликом, путем укрепленным в резцедержателе с помощью специальной державки. Средние кольцевые заготовки массой до сотен килограммов, полученные осадкой исходной заготовки с последующей ее прошивкой, раскатывают на специальной оправке на молотах или гидравлических прессах по схеме, сходной с приведенной на рисунке 9. Рис. 9. Схема кольцевой раскатки на оправке: 1 ̶ раскатываемое кольцо; 2 ̶ боек пресса или молота; 3 ̶ оправка 14 Процесс получения кольцевых заготовок сопровождается значительным перерасходом металла из-за больших припусков на размеры, вызванных тем, что полученная такой раскаткой заготовка не является кольцом, а представляет многогранник. Крупногабаритные заготовки массой в несколько десятков тонн изготавливать традиционной ковкой на прессах или молотах не рационально, так как процесс сопровождается значительным перерасходом металла. Из-за больших припусков масса поковки в ряде случаев превышает массу готовой детали до четырех раз. При этом коэффициент использования металла (КИМ) составляет менее 0,3. Большой расход металла является причиной высокой трудоемкости при механической обработке, причиной повышенного расхода режущего инструмента; непроизводительной загрузки высокоточных станков при черновой обработке деталей. При этом увеличиваются сроки изготовления корпусного оборудования, а получение поковок диаметром до 7 метров и высотой до 4 метров, необходимых для изготовления обечаек для реакторов, на существующих ковочных прессах не всегда возможно. Также возникает проблема транспортировки крупногабаритных заготовок, так как перевозить их по железной дороге невозможно, а перевозка заготовок водно-трейлерным путем требует значительных затрат на строительство специальных причалов, автомобильных дорог и подъездных путей, к тому же носит сезонный характер. Параметры получаемых на раскатных станах изделий следующие: диаметр до 8 метров и высота до 4 метров. Кольцевая раскатка позволяет сократить расход металла почти на 30%. Наряду с этим уменьшается трудоемкость ковки до 25% и механической обработки в два раза, снижается расход режущего 15 инструмента, сокращается цикл изготовления крупногабаритных кольцевых изделий, частично сталеплавильного, высвобождаются производственные кузнечно-прессового и мощности механообрабатывающего производства предприятий энергетического машиностроения. Порядок изготовления кольцевых заготовок путем раскатки следующий: на специализированном предприятии выплавляют сталь и отливают слитки массой до 360 тонн. Полученные слитки предварительно обрабатывают операциями ковки с получением кольцевой заготовки. Их обкатывают, отрубают донную часть, осаживают, прошивают и раскатывают на оправке с последующей термообработкой. На оправке заготовки раскатывают до размеров, позволяющих перевозить их по железной дороге, затем заготовки раскатывают на раскатном стане. Заготовку раскатывают на раскатном стане до заданных размеров с одновременной правкой в процессе раскатки, затем поковку подвергают окончательной механической обработке. При этом припуски назначают до двух раз меньше, чем при изготовлении обечаек без использования раскатного стана, но не меньше нижнего поля допуска на отклонение геометрической формы и размеров поковок. Раскатку кольцевых заготовок проводят на раскатных станах вертикального или горизонтального типа. Схемы кольцевой раскатки представлены на рис. 10. Процесс раскатки на раскатном стане вертикального типа осуществляют при вертикальном расположении осей наружного 1 и внутреннего 2 валков параллельно оси раскатываемой заготовки 3. При этом заготовка торцевой поверхностью устанавливается на опорный стол 4 с радиальными салазками 6 и фиксируется в процессе раскатки центрирующими роликами 5 с одинаковыми усилиями прижима на входе и выходе заготовки. 16 Рис. 10. Схема кольцевой раскатки на раскатных станах: 1, 2 ̶ наружный и внутренний раскатные валки соответственно; 3 ̶ раскатываемая заготовка; 4 ̶ опорный стол; 5 ̶ центрирующие (опорные) ролики; 6 ̶ радиальные салазки; 7 ̶ верхний и 8 ̶ нижние опорные валки Раскатку кольцевых заготовок на станах горизонтального (радиального) типа осуществляют при горизонтальном положении осей наружного 1 и внутреннего 2 валков и заготовки 3. Основной конструктивной особенностью стана является отсутствие опорного стола. Его роль играют нижний 8 и верхний 7 опорные валки, перемещающиеся в процессе раскатки по направляющим. Эти же валки выполняют функцию центрирующих роликов. В соответствии с заданной областью применения раскатный стан обеспечивает изготовление кольцевых изделий прямоугольного сечения размерами: максимальный наружный диаметр 8000 мм, толщина стенки до 750 мм, высота от 500 до 4000 мм. Размеры исходных заготовок: максимальный наружный диаметр 4500 мм, минимальный внутренний диаметр от 1450 мм, толщина стенки от 150 до 1000 мм, высота от 500 до 4000 мм. В лабораторных условиях горизонтальную раскатку крупных кольцевых заготовок моделируют на токарном станке и осуществляют также как и раскатку мелких заготовок. 17 2.3. Торцовая раскатка Отличительной особенностью операций раскатки от операций штамповки является локальный характер приложения деформирующего усилия и, в частности, к торцу обрабатываемой заготовки, что позволяет существенно снизить удельное и общее суммарное усилия деформирования. Результатом использования процессов раскатки является снижение расхода металла от 15 до 30%, а трудоемкость изготовления деталей снижается до 30%. Невысокая стоимость необходимой оснастки при большой ее стойкости обеспечивает эффективное использование процессов, как в мелкосерийном, так и в крупносерийном производстве. Рис. 11. Детали, получаемые из труб способом торцовой раскатки: 1 – 6 ̶ герметичные сферические, эллипсоидные и параболические днища; 7 ̶ фланцы трубопроводов; 8 – 11 ̶ плоские и ступенчатые днища и горловины; 12, 13 ̶ детали с внутренним выворотом; 14 ̶ цапфы на роликах Получаемые раскаткой изделия весьма разнообразны по форме, а именно, такими могут быть цельнокатаные (без оси) ролики рольгангов и ленточных транспортеров, баллоны, резервуары и ресиверы для сжатых и сжиженных газов. 18 Процесс обеспечивает высокую точность и низкую шероховатость поверхности получаемого изделия, что в большинстве случаев позволяет исключить из процесса дальнейшую механическую обработку. Также могут быть получены детали пневматических или гидравлических цилиндров, полые штоки с шаровой пятой, крышки амортизаторов, экраны и переходники для теплообменных аппаратов; стержни со специфической или конусной концовкой; трубчатые анкеры и металлоконструкции; ступенчатые валы, втулки и многое другое. Одной из самых эффективных областей применения рассматриваемого процесса является получение утолщений на торцах трубы и получение деталей с наружными буртами или внутренними бортами или выворотами. Заготовками для выполнения процессов раскатки являются трубы или отходы трубного производства, причем диапазон заготовок по диаметрам D от 20 до 630 мм, по толщине стенки S от 0,8 до 34 мм, по длине L без ограничения. Отношение S/D допустимо от 0,02 до 0,1 . Процесс и схема торцовой раскатки с внутренней оправкой показаны на рисунке 12. Рис. 12. Схемы торцовой раскатки с внутренней оправкой: а ̶ без утонения стенки; б ̶ с утонением стенки Торцовая раскатка с внутренней оправкой (рис.12) обеспечивается перпендикулярным расположением ролика оси вращающейся заготовки. При этом торцевая раскатка может проводиться как без утонения стенки, так и с утонением стенки получаемой детали. 19 Большое значение на вид получаемого изделия имеет характер формоизменения заготовки. При раскатке заготовок с торца коническим инструментом может иметь место: - раскатка высадкой – наблюдается двустороннее течение металла в зоне контакта раскатного валка с заготовкой. В данном случае наблюдается плавное увеличение кривизны выпуклой свободной поверхности, образующегося бурта на протяжении всей операции формообразования. Процесс сопровождается уменьшением внутреннего диаметра заготовки; - раскатка отбортовкой – в начальной стадии раскатки у заготовки происходит преимущественное течение контактирующих с валком слоев металла, что приводит к вывороту этой части заготовки и к образованию острой кромки на периферийной части торцовой поверхности бурта. Причем торцовую раскатку можно проводить также на установках без внутренней оправки. Рис.13. Раскатка наружного бурта: а ̶ схема раскатки; б ̶ форма буртов, полученных в результате высадки и отбортовки, I ̶ высадка; II ̶ отбортовка. 1 ̶ выталкиватель; 2 ̶ шпиндель; 3 ̶ подпятник; 4 ̶ матрица; 5 ̶ заготовка; 6 ̶ деформирующий валок При трении в месте контакта заготовки с инструментом заготовка локально разогревается в зоне обработки и, тем самым, теряет прочность лишь там, где это необходимо. 20 3. РАЗДАЧА Раздача – увеличение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки путем заталкивания в нее расширяющегося пуансона с увеличивающимся диаметром по длине. Напряженнодеформированное состояние при этом является сжато-растянутым: сжимающие напряжения действуют в меридиональном направлении, растягивающие – в тангенциальном. Это операция, противоположная обжиму. Рис.14. Схема раздачи: 1 ̶ матричный блок; 2 ̶ обойма матрицы; 3 ̶ оправка; 4 ̶ раскатной валок; 5 ̶ готовая деталь Коэффициент раздачи для стали приведен в таблице 1. Таблица 1 Kразд для стали S/d0 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 Kразд 1,46 1,5 1,52 1,53 1,55 1,56 1,58 1,59 1,6 1,63 1,68 Толщина материала при раздаче уменьшается. Наименьшую толщину в месте наибольшего растяжения определяют по формуле S1=S К разд 21 . Размеры заготовки для раздачи определяют исходя из равенства объемов заготовки и детали без учета изменения толщины металла. Предельное наибольшее значение усилие без учета калибровки можно определить по формуле Рразд=1,1πsσв(d1 ̶ d0), где σв ̶ предел прочности штампуемого материала. Допустимое увеличение диаметра края заготовки при раздаче зависит от рода материала и его механических свойств, отношения толщины заготовки к ее диаметру, угла конусности пуансона, величины коэффициента трения и состояния металла у края заготовки. Технологические процессы раздачи полых деталей отличаются высокой эффективностью и многообразием возможных вариантов формообразования. Высокое качество поверхности, макроструктура после раздачи повышает износостойкость, статическую и динамическую прочность деталей. Раздачу можно осуществлять на краях полой заготовки или на ее средней части в штампах с разъемными матрицами, эластичными средами и другими способами. Операция раздачи, как правило, требует применения штампов с разъемной матрицей. Для раздачи применяют следующие типы штампов: 1) с резиновым пуансоном; 2) с жидкостью вместо пуансона; 3) с разжимными секциями, раздвигаемые клиновой вставкой. Общим недостатком указанных штампов является неудобство и сложность ручного разъема матрицы и извлечения из матрицы готовой детали. Точность размеров деталей, получаемых раздачей, соответствует 8…11 квалитету, шероховатость Ra 5 0,63 мкм. 22 4. НАКАТКА 4.1. Накатка зубчатых профилей Накатку применяют как окончательную операцию обработки зубчатого венца при производстве зубчатых колес 15...16 квалитетов точности с модулем не более 4 мм. При накатке экономится 15 – 30% металла, трудоемкость процесса меньше в 2 – 5 раз, усталостная прочность повышается на 15 – 20%, прочность при изгибе увеличивается на 20 – 40%. Температура накатки –1000…1100°С. Сущность метода: заготовка нагрета в индукторе, накатывается профиль между двумя зубчатыми колесами-инструментами, установленными на определенное межцентровое расстояние. Рис. 15. Схема накатывания шестерен с осевой подачей заготовки 1 – зубчатое колесо (инструмент); 2 ̶ эталонная шестерня; 3 ̶ заготовка Рис. 16. Схема накатывания зубчатых колес с радиальной подачей валков: 1 ̶ накатник; 2 ̶ направляющая; 3 ̶ заготовка Технологический процесс осуществляется двумя парами валков: одна пара – гладкая, другая – зубчатая. Зубчатый и гладкий валки 23 насажены на общий вал, так что зубчатый валок находится выше гладкого. Заготовку зажимают гидравлическим устройством и располагают против гладких валков. После нагрева заготовки валки сближают и производят обкатку обода, придавая ему точные размеры по диаметру и ширине. Далее валки разводят заготовку, устанавливают против зубчатых валков, после чего на нее производят накатку зубьев. При прокатке и накатке на валки подается смазочный материал. Изготовление цилиндрических прямозубых и косозубых колес с модулем 1,5 – 3 мм и диаметром менее или равным 250 мм осуществляется при накатывании с осевой подачей заготовки (рис. 15). Для изготовления крупногабаритных колес со значительным модулем используется накатка с радиальной подачей валков (рис. 16). Заготовками служат штамповки или отрезанные от прутка дисковые заготовки. 4.2. Накатка резьб профилей Накатка – образование на заготовке резьбы или мелких рифлений непрерывным воздействием инструмента. Деформационное упрочнение поверхностного слоя при накатке и волокнистое строение структуры металла повышают циклическую прочность резьбовых соединений приблизительно в 1,6 раза по сравнению с нарезкой. Методы накатки находят широкое применение не только при формообразовании различных резьб на сплошных и полых заготовках крепежных деталей, но и при получении различных профилей на деталях типа валов и осей, шлицевых соединений, червяков и винтов, зубчатых деталей, полученных обработкой резанием, и калибровки (правки) относительно длинных изделий. 24 Таблица 2 Технологические схемы накатки Метод накатки 1. Плоским инструментом с тангенциальной подачей Схема накатки Основные особенности Упрощается автоматизация процесса накатки. Универсальность-диапазон диаметров накатки резьбы 1.5...33 мм. Понижение стойкости с увеличением массы 2. С тангенциальной подачей: вращающимися резьбонакатными сегментами (подвижным и неподвижным) Высокая производительность при ручной загрузке. Производительность повышается в 3 – 5 раз. Трудоемкость совмещения, сложность изготовления резьбового сегмента 3. С радиальной подачей одним роликом с винтовой нарезкой Повышается долговечность, повышение производительности труда по сравнению с фрезерованием и нарезанием в 12 – 15 раз. Биение накатников 4. Продольная накатка многороликовой головки: с радиальной подачей роликов Сквозные шлицы на жестких валах 5. Ударная накатка вращающимися роликами Сквозные и закрытые шлицы любого профиля 25 Окончание табл. 2 Метод накатки 6. Зубчатыми роликами с радиальной подачей инструмента (поперечная накатка) Схема накатки 7. Плоские зубчатые рейки 8. Поперечно-винтовая прокатка зубьями Основные особенности Сквозные и закрытые шлицы и зубчатые колеса эвольвентного и треугольного профилей Сквозные и закрытые шлицы эвольвентного и треугольного профилей Зубчатые ролики с винтовыми формообразующими 26 Сквозные и закрытые шлицы эвольвентного и треугольного профилей, накатка напроход 5. БЕЗОТХОДНАЯ ШТАМПОВКА ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ДЕФОРМИРУЮЩИМСЯ МЕТАЛЛОМ Использование в процессах вытяжки в качестве деформирующего металла резины, жидкости приводит к тому, что давление со стороны деформирующего металла достаточно для формообразования центральной части заготовки, но недостаточно для предотвращения складкообразования металла во фланцевой части заготовки. Это приводит к необходимости применения жестких прижимных колец, что в результате усложняет штамповую оснастку и нивелирует преимущество универсализации формообразующего инструмента. Отмеченный недостаток устраняется при использовании в качестве деформирующего металла «мягкий» металл (например, свинец), который выполняет и роль пуансона, и роль прижима. Но в этом случае: 1) после штамповки пластичный металл пуансона необходимо обжать плоской плитой, следовательно, уменьшится производительность процесса; 2) этот процесс не снижает КИМ при изготовлении полых листовых деталей. Эти недостатки устраняются при использовании способа штамповкивытяжки, где в качестве пластичного металла используют пакет заготовок из металла изделия, а высоту пакета задают боле двух высот изделия (в процессе штамповки пакет восполняется). 27 6. СВОБОДНАЯ ГИБКА Обеспечивает гибкость, но имеет некоторые ограничения по точности. Основные черты:  Траверса с помощью пуансона вдавливает лист на выбранную глубину по оси Y в канавку матрицы.  Лист остается «в воздухе» и не соприкасается со стенками матрицы.  Это означает, что угол гибки определяется положением оси Y, а не геометрией гибочного инструмента Точность настройки оси Y на современных прессах 0,01 мм. Какой угол гибки соответствует определенному положению оси Y? Трудно сказать, потому что нужно найти правильное положение оси Y для каждого угла. Разница в положении оси Y может быть вызвана настройкой хода опускания траверсы, свойствами материала (толщина, предел прочности, деформационное упрочнение) или состоянием гибочного инструмента. Рис. 17. Схема свободной гибки 28 Приведенная ниже таблица (3) показывает отклонение угла гибки от 90° при различных отклонениях оси Y. Таблица 3 Отклонение угла гибки а° /V mm 1° 1,5° 2° 2,5° 3° 3,5° 4° 4,5° 5° 4 0,022 0,033 0,044 0,055 0,066 0,077 0,088 0,099 0,11 6 0,033 0,049 0,065 0,081 0,097 0,113 0,129 0,145 0,161 8 0,044 0,066 0,088 0,110 0,132 0,154 0,176 0,198 0,220 10 0,055 0,082 0,110 0,137 0,165 0,192 0,220 0,247 0,275 12 0,066 0,099 0,132 0,165 0,198 0,231 0,264 0,297 0,330 16 0,088 0,132 0,176 0,220 0,264 0,308 0,352 0,396 0,440 20 0,111 0,166 0,222 0,277 0,333 0,388 0,444 0,499 0,555 25 0,138 0,207 0,276 0,345 0,414 0,483 0,552 0,621 0,690 30 0,166 0,249 0,332 0,415 0,498 0,581 0,664 0,747 0,830 45 0,250 0,375 0,500 0,625 0,750 0,875 1,000 1,125 1,250 55 0,305 0,457 0,610 0,762 0,915 1,067 1,220 1,372 1,525 80 0,444 0,666 0,888 1,110 1,332 1,554 1,776 1,998 2,220 100 0,555 0,832 1,110 1,387 1,665 1,942 2,220 2,497 2,775 29 Преимущества свободной гибки:  Высокая гибкость: без смены гибочных инструментов вы можете получить любой угол гибки, находящийся в промежутке между углом раскрытия V-образной матрицы (например, 86° или 28°) и 180°.  Меньшие затраты на инструмент.  По сравнению с калибровкой требуется меньшее усилие гибки.  Можно варьировать усилие: большее раскрытие матрицы означает меньшее усилие гибки. Если вы удваиваете ширину канавки, вам необходимо только половинное усилие. Это означает, что можно гнуть более толстый материал при большем раскрытии с тем же усилием.  Меньшие инвестиции, так как нужен пресс с меньшим усилием. Все это, однако, теоретически. На практике вы можете потратить деньги, сэкономленные на приобретении пресса с меньшим усилием, позволяющего использовать все преимущества воздушной гибки, на дополнительное оснащение, такое как дополнительные оси заднего упора или манипуляторы. Недостатки свободной гибки:  Менее точные углы гибки для тонкого материала.  Различия в качестве материала влияют на точность повторения.  Не применима для специфических гибочных операций. При свободной гибке лист опирается на верхние кромки щели гибочной матрицы на протяжении всего процесса гибки. Необходимый радиус гиба устанавливают посредством регулирования величины хода пуансона. Ширина щели матрицы также может быть изменена. Подготовка к гибке: • Минимальная температура листа должна быть +20 °C. 30 • Рекомендуется перенести листы, хранящиеся в холодном месте, в помещение за день до начала гибки. • При необходимости поверхность листа, примыкающая к линии изгиба, должна быть подогрета при помощи газовой горелки. • Подогрев до +100 – +200 °C снижает величину усилия гиба и повышает способность стали к гибке. • Необходимо определить направление прокатки листов, подлежащих гибке. • Дефекты поверхности на той стороне листа, которая при гибке подвергается воздействию растягивающих напряжений, должны быть удалены посредством шлифовки. • С кромок листа, образовавшихся после термической или механической резки по меньшей мере в зоне гибки, должны быть удалены все дефекты посредством шлифовки. 31 7. ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Лазерная технология в последнее время находит все более широкое применение в промышленности. С помощью лазерной технологии производятся следующие операции: прошивка точных отверстий в рубиновых часовых камнях, диафрагмах и фильерах, резка листового материала, раскрой тканей, разделение хрупких материалов, подготовка номиналов электронных приборов, сварка различных материалов. По сравнению с другими видами обработки увеличивается производительность, точность и качество обработки, улучшаются условия труда. Стадии обработки: 1. Подвод лазерного излучения к материалу; 2. Поглощение светового потока и передача его энергии твердому телу; 3. Нагрев материала без видимого разрушения; 4. Расплавление материала; 5. Испарение и вымывание продуктов разрушения; 6. Остывание материала после окончания лазерного воздействия. Характер протекания этих процессов зависит от свойств обрабатываемых материалов: - коэффициента отражения поверхности на длине волны излучения; -температуропроводимости -теплопроводимости - удельной теплоты плавления и испарения; - теплоты плавления и испарения; - плотности материала и т. п. 32 Чем короче длина волны излучения оптических квантовых генераторов (ОКГ), тем ниже отражательная способность металла и выше доля поглощенной световой энергии. Большинство металлов плохо поглощает излучение СО2 лазеров, имеющих длину волны 10,6 мкм. Для повышения лазерной обработки можно искусственно снизить отражательную способность, например, изменив шероховатость поверхности или использовав разного рода покрытия. Аргон-лазеры 0,4880 мкм Аргон-рубин 0,6943 мкм Температурный режим нагрева металла определяется плотностью мощности излучения лазера. При низкой плотности мощности (примерно до 103 - 104 Вт/см2) происходит нагрев материала без его плавления или испарения. с повышением значения этой величины примерно до 106 … 107 Вт/см2 материал плавится, а при плотности мощности излучения, превышающей более 106 … 107 Вт/см2, материалы разрушаются вследствие испарения. Процессы, происходящие в материале при воздействии на него излучения, зависят не только от плотности его мощности, но и от длительности воздействия излучения на материал. Регулируя эти две характеристики излучения, можно задать энергетические условия, при которых реализуются процессы сварки, прошивки отверстия, упрочнения в результате структурных превращений, лазерного глянцевания, лазерного шокового упрочнения. Поскольку время нагрева, толщина расплавленного слоя и степень прогревания основного материала очень малы, охлаждение при кристаллизации жидкого слоя происходит с высшей скоростью до 106 С/с. Это приблизительно в 103 быстрее скорости обычной закалки, в результате 33 фиксируются состояния, при которых раствор еще не успел разделиться на фазы или это разделение не успело завершиться полностью. При высокой скорости охлаждения расплавленного железа фиксируется -фаза, углерод не успевает выделиться в виде цементных образований и остается в растворе или частично переходит в тетраэдические полости Fе, в результате чего образуется мартенсит. Полученные сверхзакаленные зоны (белые слои), характерные для других видов скоростного нагрева (электронным лучом, электроискровым воздействием, в результате взрывного эффекта и др.), большей поверхностной твердости, мелкая кристаллизация субструктуры создает высокотепловые фазы. Могут быть твердотельные и газовые лазеры мощностью излучения от долей джоуля до нескольких джоулей, в качестве активной среды используются твердые тела: рубин, специальное стекло, алюмонатриевый гранат, вольфрамит кальция и др., они могут работать в импульсном или в непрерывном режиме генерации излучения. При работе в импульсном режиме для реализации процессов упрочнения важны следующие параметры лазерного излучения: энергия в импульсе, длительность импульса, расходимость излучения, диаметр луча, частота следования импульсов. Более дешевые лазеры, в которых в качестве активных элементов используются стеклянные стержни с добавкой неодима. Установки типа СЛС-10-1 и «Квант,10», «Квант,12» содержат алюмоиттриевый гранат. Диаметр активного элемента из стекла с неодимом составляет 7 мм, длина 130 мм, точность перемещения 0,01 мм. К преимуществам газовых лазеров можно отнести: высокие достижимые мощности излучения, повышенный КПД, возможность изменять энергетические параметры установок в широких пределах и т.п. 34 Для упрочнения пригодны лишь молекулярные СО2͞ лазеры. В качестве активной среды используется смесь газов СО2, Не, N2. Генерируемое излучение имеет длину волны 10,16 мкм. Существуют три типа СО2 лазеров: а) отпаянный; б) с продольной прокачкой; в) с поперечной прокачкой. Основным элементом конструкции является стеклянная труба (капсула), по торцам которой расположены зеркала, резонаторы и блок питания. При изготовлении лазера капсула заполняется активной газовой средой и запаивается. Чем больше мощность установки, тем больше габаритные размеры. С 1 м длины лазерной полости получается мощность не более 0,05 кВт, масса лазерной головки приблизительно 80 кг (min). Источник питания приблизительно 500 кг. 35 8. ШТАМПОВКА ПОКОВОК ИЗ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА 8.1. Принципы штамповки поковок из жидкого металла Это одна из наиболее прогрессивных технологий, позволяющих получать поковки с уменьшенными припусками под механическую обработку, КИМ до 95...98%, с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Это синтез литейного и кузнечноштамповочного производства. По этой технологии можно получать сложные фасонные поковки типа фланцев, шестерен, крышек с низкой шероховатостью поверхности и точными геометрическими размерами, близкими к форме и размерам готовых деталей. Технология штамповки поковок из жидкого металла позволяет использовать отходы от литья, штамповки (облой и перемычки), механической обработки (стружка, шлам) черных и цветных металлов. При штамповке крупных партий поковок для каждого типа поковки изготавливается свой штамп, при штамповке в условиях мелко- и среднесерийного производства экономически целесообразно применять групповой метод, при котором используется универсальный групповой блок и изготавливается только сложный формообразующий инструмент (вставки, вкладыши). Точность заготовок соответствует 11…12 квалитетам, а шероховатость поверхности Ra = 2,5...5 мкм. Большое количество деталей сложной конфигурации приборостроительного направления изготавливается отливкой в песчаной или металлической форме. Используется литниковая очистка и прибыли, на что расходуется до 40...50% металла. При изготовлении данных деталей ковкой существуют значительные припуски и напуски на механическую обработку (до 60...75%). 36 По сравнению с литьем под давлением штамповка жидкого металла позволяет получить поковки сложного профиля почти без пор и раковин. Сущность штамповки из жидкого металла: жидкий металл подается не в специальную камеру сжатия (как при литье под давлением), а непосредственно в полость штампа, а затем под действием пуансона деформируется так же, как и при горячей объемной штамповке в закрытых штампах, и выдерживается под давлением до полной кристаллизации. Применение давления при формообразовании позволяет устранить основной недостаток литья под давлением пустоты, газовые и усадочные камеры. Поковки простой формы без боковых выступов и впадин с неразъемными матрицами, а заготовки сложной конфигурации ̶ с отростками в штампах с разъемной матрицей. Штампуются как цветные, так и черные металлы. При этом металл находится в состоянии трехосного неравномерного сжатия, растягивающие напряжения отсутствуют, что дает возможность штамповать металлопластичные сплавы. Преимущества штамповки из жидкого металла перед ковкой с горячей штамповкой:  уменьшение расхода металла из-за отсутствия потерь на резку;  отпадает необходимость иметь на заводе большой ассортимент проката;  стоимость затрат на металл заготовки меньше на 30...60%, т.к. используется не сортовой прокат, а шихта, состоящая из чушек для переплава и отходов металла;  мощность прессового сбора меньше в 10...20 раз. Недостатки штамповки из жидкого металла:  производительность ниже, чем при горячей объемной штамповке, ввиду необходимости выдержки жидкого металла в штамповке под давлением;  длительное воздействие жидкого металла со стенками штамповка ведет к появлению на них разгарных трещин, уменьшается стойкость швов. 37 Широкого применения эта промышленности не нашла. технология в машиностроительной 8.2. Штамповка точных поковок из жидкого металла Это детали электродвигателей, работающих в жидких средах под давлением, к которым предъявляются повышенные требования на герметичность, поковки должны быть точными (крышки, щиты) Штамповку осуществляют не внутри пресса Р=1000 кН (100 Дж). Материал ̶ сплавы АЛ9 и ЛК 6. Штампы перед штамповкой нагревают до 8С при 120...150С. Полость штампа смазывают следующим составом: скариновая кислота 32%, парафин 27%, машинное масло 32%, алюминиевый порошок 9%. Смазка наносится тонким слоем при помощи пульверизатора. Металл заливают мерной ложкой до определенного уровня непрерывной струей, затем при ходе ползуна пресса вниз в момент соприкосновения пуансона с зеркалом жидкого металла он (металл) кристаллизуется, после чего его штампуют. После штамповки заготовку снимают с пуансона, производят охлаждение штампа и его очистку. Деталь имеет твердость по Бриннелю - 110 ед., что в 1,5 раза больше, чем у заготовок, изготовленных литьем. Поковки ползуна из жидкого металла (бронза Бр Амц 10-2) штампуют в штамповке, состоящей из неразъемной матрицы 5, траверсы 1, пуансона 3 с двумя направляющими шпильками 2. Поковку 4 штампуют по следующей технологии: в нагретую до 120...200 С и смазанную составом из олифы и серебристого графита, матрицу заливают жидким сплавом бронзы при температуре 1120...1140С и выдерживают под давлением 3...4 минуты до полной усадки и окончательного затвердевания. 38 Рис.18. Штамповка поковок ползуна и корпуса: 1 ̶ 5 см. в тексте При использовании литья под давлением используют 71 кг металла; при использовании штамповки из жидкого металла ̶ 30 кг. Необходимо нагревать пуансон до 200...250С. Таблица 4 Эффективность изготовления штампованных из жидкого металла поковок Деталь Материал Корпус ЛН 56-3 Пуансон БрА Пу10-2 Способ Расход Масса Трудоемкость изготовления металла, кг детали, кг изготовления Ковка 65 4 Штамповка 21 Экономия 44 2 Ковка 71 4 Штамповка 30 Экономия 41 18 30 2 3 1 Термомеханическая (термоупрочняющая) штамповка поковок Литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, объемная и литейная усадка, трещиноустойчивость, газонасыщение, ликвации. Жидкую штамповку (рис. 19) проводят в штампах, снабженных полостями для заливки жидкого металла и хранения его излишков. 39 Рис.19. Штамп жидкой штамповки 1 ̶ 11 – см. в тексте Штамп состоит из верхней плиты 1, в которой крепится блок пуансонов 2, состоящий из прошивного 3 и подпрессовочного 4 пуансонов. Матрица 7, укрепленная на нижней плите 9 штампа обоймой матрицы 8, охлаждается водой, подаваемой по шлангу 5 в каналы 6. Поковка 11 массой от 4 до 30 кг удаляется из матрицы выталкивателем 10. 40 9. ОБЪЕМНАЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА Она совершается в закрытых или открытых штампах, в рабочей зоне которых поддерживается температура 800…1100С. В штампе выдавливается заготовка 1 в матрице 12 пуансоном 7. Готовая поковка выталкивателем 14 удаляется из штампа; для этого крепежная плита 4, пуансонодержатель 5 и пуансон, закрепленный кольцом 2 и втулкой 3 на опоре 6, поднимаются вверх, нагревателями являются медные стержни 9, они соединены планками 13, от корпуса штампа 11 изолированы (15,16 и 17). Ток подводится устройствами 8, температура фиксируется термопарой 10. Припуски на механическую обработку не более 0,3...1,0 мм. КИМ = 0,9…0,95. Рис. 20. Штамп изотермической штамповки: 1 ̶ 17 см. в тексте 41 Литье под давлением осуществляется: а) под низким давлением; б) вакуумным всасыванием; в) с противодавлением. Эффективность применения выбранного метода литья характеризуется коэффициентом использования металла (КИМ = Мд/Мо). Расход металла определяется по коэффициенту выхода годных отливок Квго = Мои/Мш. Заполнение металлической формы (пресс-формы) расплавом – под действием внешних сил; затвердевание отливки осуществляется под избыточным давлением. К недостаткам можно отнести высокую стоимость пресс-форм, возможность переработать ограниченную номенклатуру металлов и сплавов, ограниченные размеры и массу отливок. 42 10. ШТАМПОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ Состояние сверхпластичности можно определить совокупностью признаков: 1. Повышенная чувствительность S к изменению скорости деформации m  /   0 ,3  /  . 2. Крайне незначительная величина деформационного упрочнения. n  /   0  0 ,1  /  . 3. Аномально высокий резус деформационной способности. 4. S материала в состоянии сверхпластичности в несколько раз меньше предела текучести, характеризующего пластическое состояние данного материала. Признаки свойств пластичности проявляются в определенных условиях: ̶ структурное состояние деформированного металла; ̶ температура; ̶ скорость деформации. По структурному признаку различается две разновидности сверхпластичности: 1. Сверхпластичность, проявляющаяся у металлов с особо мелкими зернами (d10 мкм). Зависимость эффекта от исходного размера зерен (чем меньше зерно, тем больше склонность материала к скоростному упрочнению, соответственно больше его деформационная способность и меньше погрешность течения). При этом необходимо, чтобы зерна имели 43 равноосную форму, а также в процессе нагрева до температуры деформирования и при последующем деформировании обладали устойчивостью против роста. 2. Сверхпластичность полиморфных металлов, проявляющая при деформировании их в процессе фазовых превращений. 10.1. Характеристика состояния свойств сверхпластичности сплавов В сверхзернистое состояние сплавы обычно переводят предварительно термической или термомеханической обработкой. Температура сверхпластичности должна поддерживаться постоянной по объему деформируемого металла в течение всего периода деформирования, чтобы обеспечить равномерное течение материала (изотермические свойства пластичности). Скорость деформации должна быть: а) с одной стороны, достаточно малой ,чтобы успевали протекать диффузные процессы; б) с другой стороны, достаточной высокой, чтобы в условиях повышенных температур не допускать роста зерен. В основном  = 10 -2 до 10-4с-1). . Таблица 5 Характеристика свойств сверхпластичности 44 10.2. Область применения сверхпластичности при штамповке 1. Штамповка малопластичных и труднодеформируемых сплавов на основе Ni, Ti, , Al, Fe и Mg. Состояние сверхпластичности этих сплавов позволяет существенно увеличить деформацию: один технологический переход – переход к малооперационной технологии. 2. Штамповка деталей особо сложной формы (тонкостенные детали, сложной формы с оребрением). 3. Снижение усилий штамповки и мощности применяемого оборудования. 4. Улучшение качества готовой продукции: лучшее заполнение ручья штампа; повышается точность размеров; меньше шероховатость детали. Поковки, изготовленные за счет сверхпластичности, не нуждаются в обработке резанием (кроме сверления). На рис. 21 представлен анализ эффективности различных видов обработки при изготовлении детали сложной формы. Рис. 21. Сопоставительный анализ эффективности процесса сверхпластичности: 1 ̶ деталь; 2 ̶ отход (ковка); 3 ̶ отход (литье) Штамповые уклоны ≤ 1°. КИМ ≥ 0,80 (обработка на прессах — КИМ = 0,2...0,5), что очень важно при штамповке из дорогостоящих материалов. 45 11. ВАЛКОВАЯ ШТАМПОВКА 11.1. Основные схемы валковой штамповки Валковая штамповка – это формоизменяющая операция обработки металлов давлением, получения осесимметричных деталей из цилиндрической заготовки за счет одновременного приложения к ней осевых и радиальных нагрузок. Осевое нагружение заготовки при валковой штамповке создается за счет перемещения пуансона, а радиальное за счет обкатки ее боковой поверхности в роликах или валках. Таким образом, комплексного валковая локального штамповка представляет деформирования, в собой котором в способ одном технологическом процессе происходит совмещение одной из основных кузнечных операций прошивки или осадки (высадки) с поперечной прокаткой или обкаткой (рис. 22,23). Рис. 22. Схема процесса валковой штамповки: 1 ̶ заготовка; 2 ̶ упор; 3 ̶ пуансон; 4 ̶ съемник; 5 ̶ ролики; w1 ̶ угловая скорость заготовки; w2 ̶ угловая скорость роликов Новый способ деформирования позволяет изготавливать круглые в плане, сплошные и полые детали, тонкостенные и толстостенные изделия; 46 малых размеров, применяемые в приборостроении, а также крупногабаритные детали с высокой точностью и качеством, при этом потребление на порядок меньше, чем для традиционных методов объемной штамповки. Комплексное нагружение очага пластической деформации локальным периодическим воздействием с одновременным воздействием через постоянно фиксируемую зону, позволяет технологический эффект, недостижимый другими получить новый методами деформи- рования. Рис. 23. Схема непрерывно-последовательной высадки с обкаткой утолщения по наружному диаметру: I ̶ упор; 2 ̶ заготовка; 3 ̶ оправка: 4 ̶ индуктор; 5 ̶ осаживающая траверса; 6 ̶ ролик; Vu ̶ скорость стола индуктора; Vрол ̶ скорость подачи роликовой обоймы; Vтр ̶ скорость осаживающей траверсы; Рос ̶ сила высадки Валковая штамповка способствует улучшению физико-механических свойств обрабатываемого металла, обеспечивает требуемое расположение его волокон, что повышает эксплуатационные свойства получаемых деталей. Относительно низкая стоимость оснастки, незначительное время подготовки производства, возможность быстрой переналадки на другой типоразмер детали, использование оборудования небольшой мощности 47 позволяет применять валковую штамповку как в крупносерийном, так и в средне- и мелкосерийном производствах. За счет возможности концентрировать формоизменение заготовки на позиции выдавливания обкатыванием и внутренней последующей полости осадкой, с величина одновременным пластического деформирования и смещенные объемы металла на последующих позициях обработки малы, как малы и необходимые силы деформирования. Это позволяет на последующих операциях вести доводку детали до требуемой формы и точности. 11.2. Классификация процессов валковой штамповки Процессы валковой штамповки можно классифицировать по следующим признакам: - по геометрической форме исходной заготовки и получаемых деталей; - по способу привода вращения заготовки; - по количеству роликов или валков. 1) По геометрической форме исходной заготовки и получаемых деталей. Общим признаком деталей, возможности изготовления которых открывает валковая штамповка, является симметрия всех поперечных размеров относительно оси заготовки. Согласно предлагаемой схеме (рис. 24) из класса получаемых валковой штамповкой осесимметричных деталей можно образовать две большие группы, отличающиеся друг от друга наличием осевого отверстия. К первой группе относятся простые в изготовлении детали без отверстия с одним или несколькими наружными утолщениями, расположенными на различных участках заготовки (пробки, заглушки и т. д.). Ко второй группе относятся детали с отверстием, как с глухим (с полостью), так и сквозным. Геометрия наружной поверхности 48 деталей этой группы совпадает с формой поверхности деталей без отверстия. Это ступенчатые детали с одним или несколькими наружными утолщениями (фланцы, втулки и т. п.) и детали без наружных утолщений (гильзы, стаканы). Возможность изготовления валковой штамповкой осесимметричных деталей со сквозным осевым отверстием, в отличие от остальных известных способов объемной штамповки, объясняется особенностями пластического течения материала в условиях комплексного локального деформирования. Рис. 24. Классификация процессов валковой штамповки по геометрической форме получаемых деталей 2) По способу привода вращения заготовки. Технология валковой штамповки может осуществляться по одной из двух кинематических схем, отличающихся друг от друга способом привода 49 вращения заготовки. В первом случае вращение заготовки осуществляется посредством передачи ей крутящего момента приводными валками, во втором крутящий момент заготовке передается от упора и пуансона, а валки, или в этом случае ролики, являются неприводными. Схема с приводом от валков имеет ряд недостатков, один из которых заключается в том, что момента трения при большом радиальном обжатии может оказаться недостаточно для преодоления сопротивления деформированию, что приводит к заклиниванию заготовки и приводных валков. Валковая штамповка, осуществляемая по данной схеме, сложнее валковой штамповки с приводом вращения от упора и пуансона, которая с точки зрения повышения качества получаемых деталей, снижения энергосиловых затрат, увеличения производительности и технологичности оснащения предпочтительнее, поскольку обеспечивает развитие тангенциальных сжимающих напряжений в локальной зоне, исключает возможность проворота роликов относительно заготовки, позволяет увеличить скорость деформирования и применять смазку контактной поверхности роликов. Аналогом такой кинематической схемы является случай, когда деформирование боковой поверхности заготовки осуществляется вращением вокруг нее роликовой матрицы, а не упора и пуансона. При этом очевидно, дополнительных что выбор упомянутой преимуществ, а технологической оснастки, в неосуществимым контролируемое лишь схемы не обеспечивает усложняет конструкцию частности, делает сведение-разведение практически роликов в процессе обработки, однако для изготовления крупногабаритных деталей такой способ привода представляется единственно возможным. 3) По количеству роликов или валков. 50 Валковая штамповка может осуществляться по двух-, трех- и многороликовой (или многовалковой) схемам. При штамповке в двухроликовой матрице по схеме с передачей крутящего момента от приводных валков для удержания заготовки на позиции обработки необходимо применение специальных захватноориентирующих устройств (рис. 25, а). При этом необходимо обеспечить включение привода вращения валков только после возникновения на поверхности пуансона и заготовки сил, достаточных для ее удержания на позиции обработки. В противном случае в начальный момент штамповки заготовку может вытолкнуть из роликовой матрицы (рис. 25, б). При валковой штамповке в двухроликовой матрице по схеме с приводом вращения от упора и пуансона применения захватно-ориентирующих устройств не требуется. а б Рис.25. Удержание заготовки на позиции обработки: а ̶ захватными устройствами; б ̶ выталкивание с позиции обработки; 1 ̶ пуансон; 2 ̶ упор; 3 ̶ валки; 4 ̶ заготовка; 5 ̶ захваты 51 С точки зрения повышения устойчивости заготовки, улучшения позиционирования относительно оси вращения и удержания в роликовой матрице оптимальной является трехроликовая схема. При этом максимальный радиус роликов ограничен размером исходной заготовки и определяется формулой RKmax<6,4641R, (1) где R ̶ радиус заготовки, мм; RKmax ̶ максимальный радиус ролика при данном радиусе заготовки, мм. 52 12. НАВИВКА ПРУЖИН И ГИБКА ПРОВОЛОКИ НА АВТОМАТАХ Изготовление металлических изделий из проволоки гибкой и навивкой основано на применении различных автоматов: универсальногибочных, пружинонавивочных, шайбонавивочных, правильноотрезных, шплинтовых, для навивки колец, для изготовления и склеивания в блок сшивающих скрепок, сеткоплетильных, цепевязальных и др. Изготовление пружин из проволоки или горячекатаной сортовой стали диаметром до 16 мм. Нагрев и охлаждение в расплавленном свинце или соли («патентирование»). В зависимости от технических свойств: I, II, IIa, III классы проволоки. Универсально-гибочные и навивочные автоматы по техническому уровню конструкции соответствуют наиболее прогрессивному кузнечнопрессовому оборудованию. Это оборудование особенно распространено в автомобильной, электро- и радиотехнической промышленности. Особенно экономически выгодно при партиях деталей больше 10 – 14 тыс. шт. по сравнению с изготовлением на универсальных прессах по переходам или навивкой по оправке с помощью универсального металлорежущего инструмента. Технология изготовления метизов штамповкой на универсальногибочных автоматах позволяет получить полностью готовые детали. Гибка на автоматах оснащена: дополнительной поперечной подачей материала усиленным ползуном реза, устройствами для нарезания резьбы, клепки, сварки, вращающимися оправками для навивки пружин, ползунами, резцовыми головами и т. п. Преимущество — высокая производительность. 53 13. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Прессование порошков подвижными средами Порошковая металлургия является одним из самых эффективных технологических процессов, обеспечивающих получение изделий с заданными свойствами и формой, минимальными отходами и низкой трудоемкостью. Использование порошковой металлургии в массовом производстве повышает производительность труда в 1,5 – 2 раза, сокращается количество операций до трех раз, потери материалов составляют 5 – 10 %. Эти и другие преимущества порошковой металлургии обусловили ее широкое применение в промышленности всех развитых стран мира. Прогресс в порошковой металлургии в значительной степени определяется совершенствованием важнейшей технологической операции – прессования, которое определяет не только форму и размеры деталей, но и их эксплуатационные свойства. В настоящее время прессование деталей и порошков осуществляется разнообразными способами, использующими статические и ударные нагрузки, различные передающие среды. Многообразие существующих и непрерывно появляющихся новых способов вызвало необходимость их классификации на основе объективных критериев общности: 1. Вид формующей (энергопередающей) среды; 2. Характер приложения нагрузки (скорость, периодичность, вид движения формующего инструмента или среды); 3. Температура формования; 4. Условия трения; 5. Состояние исходной заготовки. 54 В настоящее время наибольшее промышленное применение получил способ холодного статического прессования в жестких закрытых пресс ̶ формах, отличающийся высокими технико-экономическими показателями. Однако таким способом получают преимущественно простые по форме и небольшие по габаритным размерам детали. Силы трения по контактным с инструментом поверхностями приводят к значительной неравной плотности деталей. Применение различных способов прессования подвижными средами, называемых также часто изостатическим прессованием, позволяет свести к минимуму недостатки, присущие прессованию в жестких пресс-формах. Давление при этом для достижения одинаковой плотности в 1,5 – 2 раза меньше, чем при двухстороннем, и почти втрое меньше, чем при одностороннем прессовании в жестких пресс-формах. Особенности: высокий уровень прикладываемой энергии на неограниченной площади, что позволяет получать высокоплотные детали больших размеров. Преимущества: 1. Возможность создания в порошке оптимальных схем напряженнодеформированного состояния, что позволяет получать детали весьма сложной формы. 2. Практическое отсутствие сил трения по контактным поверхностям инструмента, что позволяет повысить плотность и равномерность ее распределения; уменьшить энергоемкость процесса. 3. Снижение стоимости оснастки и повышения ее универсальности. 4. Увеличение плотности и уменьшение неравноплотности. 55 К недостаткам можно отнести: низкую производительность и меньшую точность размеров деталей. При прессовании подвижными средами, к которым относится жидкости, газы и эластомеры, используют как статическое, так импульсное приложение нагрузки. К ним относят: гидростатическое, газостатическое, эластостатическое (самое гидродинамическое, простое и универсальное), электрогидроимпульсное прессование взрывное, и другие способы. Технологический процесс получения изделий из тугоплавких металлов начинается с переработки исходного сырья в порошок. Развитие порошковой металлургии началось с развития продукции из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена). Основные направления: 1. Производство порошков как товарной продукции для непосредственного применения в различных отраслях техники, например для покрытий, в качестве легирующих добавок для сварочной техники, катализаторов и т. д. 2. Создание материалов и изделий с особыми свойствами и структурой для работ при повышенных температурах и нагрузках, например, псевдосплавы W-Сu, Fе-С, твердые сплавы, фрикционные и антифрикционные изделия сложного состава и др. 3. Создание пористых материалов для работы при повышенных температурах, например, пористые фильтры и др. 4. Изготовление дополнительной деталей механической с окончательными обработки; размерами создание без различных инструментальных материалов (для сверл, фрез и др.), обладающих высокой стойкостью при обработке резанием или давлением. Продукцию порошковой металлургии особенно широко применяют в автомобильной и электротехнической, химической, металлургической, 56 нефтяной, тракторной, авиационной промышленности, судостроении, сельхозмашиностроении и др. Общая схема технологического процесса: а) получение порошков с требуемыми свойствами; б) формование порошков; в) спекание сформованных заготовок при определенной температуре в средах регулируемого состава (воздавлением с приложением сдвиговых деформаций. Прессование представляет собой формование тел путем приложения давления к порошку в закрытой форме или оболочке. Разработаны следующие процессы прессования порошков: 1. В закрытой пресс-форме. 2. С применением вибрации. 3. Ударное. 4. Изостатическое. 5. Взрывом. Рис. 26 Схемы прессования порошков 57 Недостаток – требуется высокое давление. При свободной засыпке в замкнутом объеме полости матрицы между шайбами сохраняются пустоты, поры вследствие хаотического расположения частиц, образуются так называемые арки и мостики. Поры занимают 60 – 70% общего объема, их величина зависит от формы частиц порошка, состояния поверхности. При предварительной утряске порошка в пресс-форме пористость снижется, улучшается взаимное расположение частиц, уменьшается неравномерность распределения плотности в прессуемом полуфабрикате. Ниже приводятся данные по изменению пористости, %, свободно засыпанных порошков (1) и после утряски (2): Материал 1 2 Fe электролитический 68,5 60,7 Al чешуйчатый 93,0 85,3 Сталь пер. 69,5 59,7 W 77,9 64,0 При прессовании порошков пластичных металлов дальнейшее уплотнение происходит за счет деформации частиц, причем деформация вначале ограничена при контактными участками, а затем распространяются в глубь частицы. Процесс формирования слагается из трех основных стадий: I – плотная упаковка; II – упругое сопротивление; III – деформация – стадия пластической деформации. Изготавливаются: режущие инструменты, вкладыши подшипников, фрикционные диски, щетки электродвигателей и др. 58 Преимущества: возможность получения в массовом количестве однотипных деталей точных размеров, не требующих дополнительной обработки. Кроме того, износостойкость, пористость, возможность высокая получения твердость, сплавов из тепло- и металлов и неметаллов и др. Исходный материал (проволока, стружка и др.) измельчают в защитной атмосфере и просеивают по фракциям. Затем к порошку-основе, например, для инструмента, к карбидам вольфрама (WC) или (WC + TiC) добавляют составляющую. Для инструмента – кобальт. Полученную шихту прессуют в стальных пресс-формах с полостью, соответствующей конфигурации будущего изделия. Спекание проводят в печах при соответствующей температуре в защитной атмосфере. Пористые сплавы на медной основе спекают при температуре 600 – 800°С, на железной основе при 1000 – 1300°С, твердые сплавы для инструмента при 1500 – 1600°С в среде водорода. Твердость HRA 92. Основная номенклатура: трубы из порошка (редко), чаще детали простой формы и небольших размеров — шестерни, кольца, втулки. Энергия взрыва перспектива и для получения изделий из порошка. При взрывном прессовании и благодаря колоссальным давлениям и исчезающее малой продолжительности процесса исключается теплообмен между порошком и пресс-формой, и без всякой дополнительной обработки сразу получаются изделия с нулевой пористостью. Изменяя параметры процесса, можно изменять и пористость в широких пределах плюс взрывное упрочнение. 59 14. МАГНИТНОИМПУЛЬСНАЯ ШТАМПОВКА Металлы с высокой электропроводимостью (малым электросопротивлением) – медь, алюминий, латунь лучше деформируются ИМП, чем металлы с низкой электропроводимостью – сталь, титан. Они деформируются при условии покрытия их тонким слоем меди и алюминия или алюминиевых прокладок в виде фольги, установленных между заготовкой и индуктором. Выпускаются установки для штамповки ИМП: состоящие из зарядного устройства, блока-накопителя и пульта управления, мощностью 15 кДж при рабочем напряжении 5 кВ. Возможности ИМП: штамповка деталей толщиной S до 1,5 мм, пробивка в них отверстий d max 150 мм; формовка деталей диаметром до 1000 мм (обечайка) и длиной до 1500 мм. Технологические параметры ИМП: мощность 40 кДж, рабочее напряжение 50 кВ. КПД ИМП составляет 3…10 %. Недостатки – низкая стойкость индукторов, большие размеры установок, специальная подготовка обслуживающего персонала, шум при электроразряде. 14.1. Раздача магнитноимпульсной штамповкой При этой операции индуктор вводится внутрь обрабатываемой детали, а сама деталь помещается в зажимные технологические приспособления. Технологические приспособления-матрицы могут изготовляться из углеродистой стали или из пластмассы. При сборочных операциях заготовка, подлежащая раздаче, помещается внутрь детали, с которой она должна быть соединена. На рис. 27 приведены примеры деталей, полученных путем раздачи: 60 а) Раздача труб с образованием полусферы. б) Раздача труб с образованием конуса. При этом методе можно производить сборочные операции. в) Развальцовка труб в изоляционном материале. г) Развальцовка труб в металлических деталях. д) Раздача труб в радиаторных кольцах. Рис. 27. Схемы раздачи: а ̶ д – см. в тексте Кольца с определенным шагом устанавливаются вдоль трубы, путем раздачи трубы прочно соединяются, образуя неразъемное соединение. 14.2. Плоская штамповка При этой операции обрабатываемая листовая заготовка помещается между плоским спиральным индуктором и матрицей. Листовая заготовка должна плотно прилегать к индуктору и к матрице. Поэтому необходимо применять прижимное приспособление. 61 Импульсный характер воздействия позволяет пользоваться негромоздкими и простыми конструкциями прижимных приспособлений. Матрица может быть изготовлена из металла или пластмасс. Плоская штамповка позволяет производить следующие технологические операции: а) Образование кольцевых и продольных зигов. б) Чеканка рисунков, надписей и т. д. в) Вырубка деталей по контуру. Эта операция производится на матрицах, имеющих форму готовой детали. г) Пробивка отверстии. Операция выполняется в матрицах, имеющих соответствующие отверстия. Рис.28. Детали приборостроения: а ̶ г- см. в тексте Большой опыт, накопленный в отечественной и зарубежной практике в области магнитно-импульсной обработки металлов, показывает высокую эффективность нового метода и широкие его возможности. Применение энергии импульсного магнитного поля в процессах обработки металлов давлением открывает новые пути решения ряда технологических задач: сборка разнородных металлов, сборка металлов с неметаллами, вырубка-пробивка в деталях с ограниченным подходом, деформирование малопластичных высокопрочных сплавов на основе алюминия, меди, вольфрама, молибдена и т. п. 62 Уменьшение металлоемкости оснастки, снижение трудоемкости ее изготовления, увеличение производительности труда, несмотря на низкую стойкость рабочего инструмента-индуктора, делают применение энергии импульсного магнитного поля для обработки металлов давлением экономически выгодным, особенно при мелкосерийном и опытном производстве. Рассматривая вопрос о целесообразности перевода той или иной технологической операции на магнитноимпульсный метод, необходимо произвести тщательный технико-экономический анализ, сопоставление этого метода с другими видами импульсной обработки электрогидравлика и т. п.), а также с обычным прессованием. 63 (взрыв, 15. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ШТАМПОВКА Электрогидравлической штамповкой обычно изготовляют детали из листовых заготовок толщиной 0,8...2 мм. При этом минимальные радиусы кривизны поверхности детали, как правило, составляют не менее 2...4 мм. Габаритные размеры плоских заготовок деталей сложной формы, изготовляемых ЭГШ, достигают 1500×2000 мм. Глубина штампуемых деталей — до 500 ...600 мм. На специальных электрогидравлических установках с перемещаемой одной или несколькими разрядными камерами штампуют плоские крупногабаритные (до 3...3,5 м) детали с различными рифтами либо местными рельефами. Детали сложной формы штампуют за несколько переходов через эластичную диафрагму и с использованием многоэлектродных разрядных камер. Максимальный диаметр и длина оболочек, штампуемых на специализированных установках, обычно не достигают 1000 мм. Существуют два метода преобразования электрической энергии в механическую: разряд конденсатора через зазор в жидкости и разряд конденсатора периодически генерируемыми через проволочку. При повторяющимися ЭГШ импульсами высоковольтными разрядами металл деформируют высокого в давления, жидкости или электрическим взрывом проводников. На рис. 29 показаны схемы ЭГШ. Технологические установки выполняют с открытой (рис. 29, а) или закрытой (рис. 29, б, в) камерой (емкостью). Листовую заготовку 2 (рис. 29, а) укладывают на матрицу 1 и с помощью устройства 3 прижимают к ней. Емкость 5 заполняют передающей средой (водопроводной водой) 6. В воде на определенном расстоянии от заготовки 2 размещают рабочие электроды 4 и 7 64 (положительный и отрицательный), соединенные с генератором импульсов тока электрогидравлической установки. Рис. 29. Схемы электрогидравлической штамповки деталей из плоской заготовки: а ̶ в открытой; б ̶ закрытой камерах; в ̶ из трубчатой заготовки в закрытой камере; 1 ̶ матрицы; 2 ̶ заготовки; 3 ̶ прижимы; 4, 7 ̶ электроды; 5, 8 ̶ открытая и закрытая камеры; 6 – вода; 9,10 – верхняя и нижняя крышки При высоковольтном электрическом разряде между электродами 4 и 7 возникает токопроводящий искровой канал. Расширение канала разряда приводит к возникновению в жидкости ударной волны. Под действием ударной волны, давления, образующегося при расширении парогазовой полости, и сопутствующего гидропотока, сопровождаемого кавитацией, происходит деформирование заготовки 2 по матрице 1. Коэффициент полезного действия (КПД) электрогидравлической штамповки составляет 5...20%. Наибольший КПД достигается в установках с замкнутым объемом жидкости. На рис. 30 показано размещение рабочих электродов 4 и 7 в закрытой камере 8. Электроды 4 и 7 могут быть установлены также внутри трубчатой заготовки 2, помещенной в закрытую камеру, образуемую матрицей 1 и крышками 9 и 10 (рис. 29, в). При высоковольтном разряде в жидкости генерируются импульсы с амплитудой давления, достигающей 109 Па, и частотой 0,1...10 Гц, 65 следствием чего являются высокая скорость деформирования листовых и трубчатых заготовок (десятки и сотни метров в секунду) и незначительное (10,4...10,5 с) время деформации. Несмотря на столь короткие промежутки времени деформации, в материале успевают произойти такие внутренние изменения, которые влияют не только на структуру и свойства заготовки после обработки, но и на результаты технологического процесса. Возбуждаемые при электрическом разряде ударные волны передаются от источника через жидкость к заготовке. Со звуковой скоростью они достигают поверхности заготовки, вначале воздействуя на нее перпендикулярно, а затем по периферии. Источник ударных волн действует периодически с частотой v =0,1...10 Гц и может при этом перемещаться на заданный шаг по предварительно установленной программе. В результате воздействия ударной волны начинается деформирование заготовки, а в материале ее возбуждаются волны напряжений. Скорость деформирования может достигать 20...400 м/с, а волны напряжений в материале, перемещаясь со скоростью звука, быстро проходят сквозь всю толщину заготовки и до очередного импульса успевают отразиться несколько раз. Главным фактором, определяющим фронт ударной волны при разряде через зазор в жидкости, является форма электродов и рефлекторов (отражателей). Форма фронта ударной волны зависит от расстояния между электродами (рис. 30). При незначительном расстоянии между ними в результате разряда образуется волна со сферическим фронтом (рис. 30, а), при достаточно большом (несколько цилиндрическим фронтом (рис. 30, б). 66 сантиметров) – волна с Разряд через зазор в жидкости характеризуется неустойчивостью, а выходную мощность трудно регулировать. Не всегда удается повлиять на форму ударной волны путем изменения формы электродов и отражателей. Чтобы облегчить управление формой и амплитудой генерируемых волн давления и повысить КПД искрового промежутка, электроды закорачивают между собой проводниками в виде перемычки (мостика). Перемычку выполняют из тонкой проволочки 6, свернув ее спиралью, или из фольги (рис. 30, б,в). Благодаря этому путь электрического разряда может быть предопределен по направлению и форме. Соединяя электроды проволочкой, удается поставить параметры ударной волны в зависимость от формы разряда между электродами. Наличие проволочки позволяет увеличить длину разряда при одинаковой мощности установки и рабочей среде. При разряде конденсатора через проволочку превращение энергии более эффективно, так как свободный разряд и испарение жидкости заменяются «ударным» испарением проволочки. Это явление называется электрическим взрывом проводника. Применение взрывающейся проволочки дает возможность снижать рабочие напряжения, так как с ее помощью одно межэлектродное и то же расстояние. напряжение Этим «перекрывает» преимуществом большее полностью компенсируется недостаток метода, заключающийся в необходимости заменять проволочку после каждого разряда при многоразрядной штамповке деталей. При обработке трубчатых заготовок проволочку используют для создания цилиндрической ударной волны. Применение разряда через проволочку не приводит к заметному увеличение деформации при одинаковых параметрах (запасенной энергии и емкости конденсаторов), однако в этом случае можно увеличить зазор между электродами и, как следствие, повысить равномерность раздачи трубы. 67 Рис. 30. Схемы формирования фронтов ударной волны: а — сферического; б — цилиндрического; в — плоского: 1— матрицы, 2 — фронты ударной полны, 3 — электроды, 4 — разрядные промежутки, 5 — заготовки, 6 — взрывающиеся проволочки Применение взрывающейся проволочки позволяет увеличить расстояние между электродами до 300 мм и более, при этом влияние проводимости жидкости на возникновение уменьшается. 68 разряда значительно 16. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МЕТОДЫ ШТАМПОВКИ Штамповку деталей традиционными (статическими) методами выполняют на гидравлических, фрикционных, эксцентриковых и кривошипных прессах, ковочных машинах и молотах. Развитие кузнечнопрессового оборудования (увеличение его кинетической энергии) в основном осуществлялось за счет роста мощностей привода, габаритных размеров и массы маховиков, подвижных и ударных частей, а также штамповой оснастки прессов и молотов при сравнительно небольших (0.1...6 м/с) скоростях деформирования металла. При высокоскоростном деформировании металла увеличение мощности (энергии) процесса осуществляется за счет высокой скорости (50...300 м/с) преобразования энергии, что является основным отличием этого метода штамповки от статических методов. К высокоскоростным деформирующим процессам обработки металлов относятся: штамповка взрывом, электрогидравлическая штамповка, магнитно-импульсная штамповка. В большинстве случаев эти процессы осуществляются с применением упрощенной штамповой оснастки (без пуансона или матрицы), что является их важным преимуществом. Несложность оснастки, ее низкая стоимость по сравнению с инструментальными штампами, применяющимися при обработке металлов статическими методами, а также возможность осуществления без применения мощного (энергоемкого) прессового оборудования обеспечивают эффективное использование высокоскоростных методов штамповки деталей. Эти преимущества особенно проявляются при изготовлении крупногабаритных деталей из труднодеформируемых сталей и сплавов в опытном и мелкосерийном производстве. К преимуществам высокоскоростных методов штамповки можно отнести также сравнительно небольшие 69 затраты на организацию производственного участка: оснащение, эксплуатацию установок, ускорение сроков подготовки производства, обеспечивающее мобильность последнего при изготовлении крупногабаритных, сложных деталей из труднодеформируемых сталей и др. С помощью взрыва и магнитно-импульсной обработки можно не только изготовлять листовые и трубчатые детали, но и выполнять операции плакирования и сварки металлов, штамповки металлокерамики, получать неразъемные соединения (например, при сборке деталей), осуществление которых другими методами невозможно или неэкономично. В процессе высокоскоростной штамповки отмечается увеличение прочностных характеристик (σв, σт, НВ) – металл значительно упрочняется. Кроме того, отсутствует (уменьшается) пружинение при формообразовании труднодеформируемых металлов с одновременным повышением их пластичности, что обеспечивает получение точных форм и размеров сложных деталей. К недостаткам высокоскоростных процессов обработки следует отнести: специфические, а иногда и довольно сложные требования безопасности при выполнении штамповки взрывом и использовании мощных электрических раз рядов; трудности реорганизации сложившегося машиностроительного производства; недостаточность информации об экономичности и результатах внедрения этих процессов в производство; сравнительно высокая стоимость пороховых и бризантных зарядов и сложность расчета взрывных разрядов; возможность местных разрушений штампуемых металлов. В связи с этим высокоскоростные методы штамповки не заменяют полностью традиционные методы, особенно в массовом и серийном производстве. Одним из высокоскоростных методов штамповки является штамповка взрывом, характеризуемая высоким давлением, прилагаемым к заготовке в течение тысячных долей секунды. С ее помощью выполняют 70 вытяжку, отбортовку, раздачу и обжим труб, формовку ребер жесткости, калибровку, правку, вырубку и другие операции. При штамповке взрывом заряд размещают либо на поверхности заготовки (при этом взрывная волна непосредственно воздействует на заготовку), либо на некотором расстоянии от нее (в этом случае энергия взрыва передается через промежуточную среду: газ, жидкость, песок и др.). Основными достоинствами штамповки взрывом являются следующие: низкая стоимость оснастки; небольшие капитальные затраты; сокращение числа технологических переходов; высокая точность обработки; возможность изготовления деталей сложной формы из труднодеформируемых и хрупких сплавов. К недостаткам относятся неэкономичность при большом объеме производства, трудность управления процессом, опасность и неудобство работы с взрывчатым веществом. Вследствие этого штамповку взрывом применяют только при изготовлении опытных или единичных образцов, а также в тех случаях, когда нельзя применить штамповку на прессе, например для получения тонкостенных деталей (особенно деталей больших габаритных размеров). При штамповке взрывом (рис. 31) заготовка деформируется ударной волной полусферического фронта. Заготовку 3 укладывают на матрицу 2 и прижимают к зеркалу матрицы прижимом 4, чтобы уменьшить возможность складкообразования. Пространство между матрицей 2 и заготовкой 3 должно быть разреженным, поэтому воздух из матрицвыкачивают вакуум-насосом. Над заготовкой 3 помещают заряд взрывчатыхвеществ (ВВ) 5 и установку заливают водой в бассейне 1. При взрыве заряда образуются газы. Высокое давление возникшего газового шара вызывает появление в воде ударной волны, давление которой через слой воды передается на поверхность заготовки. Часть энергии ударной волны расходуется на ускорение заготовки, часть – на 71 пластическую деформацию. Масса заряда определяется с учетом расстояния до заготовки, вида взрывчатых веществ, диаметра, толщины и материала заготовки, а также глубины штамповки. Рис. 31. Схема штамповки взрывом: 1 ̶ бассейн; 2 ̶ матрица; 3 ̶ заготовка; 4 ̶ прижимное кольцо; 5 ̶ заряд ВВ; 6 ̶ промежуточная среда Расширение образовавшихся при взрыве газов тормозится инерционными силами частиц воды. При этом слой воды, окружающий газовый шар, получает импульс, возбуждающий первичную ударную волну, во фронте которой существует очень высокое давление. В ударную волну переходит до 40 % энергии взрыва. Таким образом, энергия сконцентрирована в тонком слое воды. Большая часть энергии взрыва остается в газовом шаре, который вновь расширяется (но менее интенсивно) после возникновения первичной ударной волны. Предполагается также, что газовый шар пульсирует, т. е. сжимается и расширяется. При его повторных расширениях возникает вторичная ударная волна, однако с меньшей энергией. Данный эффект позволяет циклически накладывать силовое воздействие на деформируемую заготовку, за счет чего повышаются размеры, точность и качество изделия. 72 17. ВЫСОКОТОЧНАЯ ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА 17.1. Преимущества высокоточной горячей объемной штамповки Точная горячая штамповка является весьма производительным и экономически эффективным процессом, одновременно обеспечивающим значительное повышение качества и точности продукции. Вследствие этого ее можно отнести к прогрессивным «скоростным» методам обработки металлов, подлежащим внедрению во всех отраслях промышленности. По сравнению с другими способами обработки металлов точная горячая штамповка имеет следующие преимущества: 1) уменьшает величину припусков на обработку, в результате чего помимо экономии станкочасов, затрачиваемых на снятие стружки, одновременно экономится и металл, непроизводительно превращаемый в стружку; 2) увеличивает механические свойства деталей по сравнению с деталями, обработанными кругом, так как в первом случае сохраняется верхний слой и волокна нигде не перерезаются; 3) значительно повышает точность и качество поверхности штампованных поковок. Опыт передовых советских заводов, а также технико-экономические подсчеты показывают, что точная горячая штамповка технически осуществима в любой отрасли промышленности и всегда себя оправдывает, за исключением некоторых случаев индивидуального производства. При этом надо считаться с тем, что иногда она вызывает увеличение стоимости поковки, покрываемое экономией при последующей обработке в механических цехах. 73 17.2. Области применения точной горячей штамповки В таблице 6 перечислены детали, которые с успехом изготовляются или изготовлялись различными заводами по способу точной горячей штамповки. Таблица 6 Детали, изготовляемые точной горячей штамповкой Наименование деталей Ручной инструмент – ключи гаечные, Оборудование плоскогубцы. Ширпотреб – ножи, бритвы Штамповочные и т. д. молоты с доской Хирургический и слесарный инструмент – 150 наименований. Штамповочные Детали авто- и авиамоторов Молоты Горизонтально- Кольца шарикоподшипников ковочные машины Клапаны моторов Таким образом, область применения точной горячей штамповки не ограничена ручным инструментом; она проникла во все отрасли промышленности с крупносерийным и массовым производством. Все, что сказано о точной горячей штамповке в настоящей работе, относится к мелким деталям весом до 3 кг. Таблицы также говорят, что точная горячая штамповка применяется, как правило, для небольших деталей. Однако принципиальных препятствий к переносу этого опыта на средние и даже крупные детали нет. Дальнейшее развитие точной горячей штамповки должно идти по линии расширения областей применения ее не только за счет других отраслей промышленности, но и за счет охвата деталей весом более 3 кг. Как процесс более производительный, чем существующие, дающий 74 большой экономический эффект с одновременным повышением качества продукции, точная горячая штамповка должна занять в промышленности такое же важное место, как стахановские методы работы или скоростная станочная обработка. Организациям, проектирующим штамповочные кузницы, и конструкторским бюро, занятым проектированием кузнечно-прессового оборудования, необходимо учесть все основы технологии точной горячей штамповки, чтобы кузницы и оборудование в этих кузницах отвечали требованиям передовой технологии. 75 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Специальные способы процессов обработки металлов давлением экономически целесообразны в мелкосерийном и серийном производствах при изготовлении заготовок и деталей сложной пространственной формы из малопластичных материалов, в том случае, когда использование классических способов и методов ОМД оказывается либо не эффективным, либо невозможным. Рассмотренные специальные способы ОМД позволяют существенно расширить технологические возможности промышленных предприятий при изготовлении широкой номенклатуры деталей. Рассмотренные технологические интенсификации процессов обработки металлов давлением позволяют существенно расширить технологический кругозор студентов, изучающих процессы и технологии деформирования листовых и объемных заготовок. 76 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВВ – взрывчатое вещество. ГОШ – горячая объемная штамповка. КИМ – коэффициент использования металла. ОМД – обработка металлов давлением. ОКГ – оптические квантовые генераторы. ППП – продольно-периодическая прокатка. ТП – технологический процесс. ЭГШ – электрогидравлическая штамповка. 77 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Охраменко, Я. М. Технология кузнечно-штамповочного производства: учебник / Я. М. Охраменко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1976. – 560 с. 2. Ковка и штамповка: справочник. В 4 т. / ред. совет: Е. И. Семенов (пред.) и др. – М. : Машиностроение, 1975. 3. Семенов, Е. И. Ковка и объемная штамповка: учебник для вузов / Е. И. Семенов. – М.: Высшая школа, 1972. – 352 с. 4. Митрофанов, С. А. Групповая технология изготовления заготовок / С. А. Митрофанов. – Л., 1986. – 126 с. 5. Холодная объемная штамповка: справочник/ под ред. Г. А Навроцкого. – М. : Машиностроение, 1973. – 485 с. 6. Специальные способы холодной объемной штамповки / К. Н. Богоявленский, А. М. Дмитриев и др. – М. : Машиностроение, 1986. – 44 с. 7. Солнцев, Ю. П. Специальные материалы в машиностроении : учебник для вузов / Ю. П. Солнцев. – СПб., 2004. – 640 с.: ил. 8. Рудской, А. Теория и технология прокатного производства : учеб. пособие / А. Рудской, В. А. Лунев. – СПб. : Наука, 2008. – 527 с. 78