Производство и механическая обработка заготовок

ПРОИЗВОДСТВО И МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК Конспект лекций СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 4 1. НАЗНАЧЕНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА............................................................................. 4 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ .......................................................................... 4 1.2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ............................................................................................. 6 1.2.1. Материал детали .......................................................................... 6 1.2.2. Тип производства.......................................................................... 6 1.2.3. Форма и размеры детали.............................................................. 6 1.2.4. Точность и качество детали......................................................... 7 1.2.5. Производственные возможности предприятия............................ 7 1.3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ........................................................................................................ 7 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ОБРАБОТКОЙ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ОМД)..................................................................................... 10 2.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ИЗ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ПРОКАТА...................................................................................... 10 2.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК СВОБОДНОЙ КОВКОЙ................ 16 2.2.1. Осадка............................................................................................. 16 2.2.2. Протяжка........................................................................................ 17 2.2.3. Прошивка и пробивка.................................................................... 18 2.2.4. Гибка, скручивание и ковка в подкладных штампах.................. 19 2.2.5. Отрубка, правка............................................................................. 19 2.2.6. Выбор оборудования для ковки..................................................... 19 2.3. ГОРЯЧАЯ ОБЪЁМНАЯ ШТАМПОВКА (ГОШ)..................................... 20 2.3.1. Выбор способа нагрева и термического режима штамповки........ 20 2.3.2. Способы горячей объёмной штамповки............................................ 23 2.3.2.1. Штамповка в открытых штампах............................... 25 2.3.2.2. Штамповка в закрытых штампах............................... 26 2.3.2.3. Штамповка на горизонтально-ковочной машине....... 26 2.3.2.4. Штамповка выдавливанием........................................ 27 2.3.3. Выбор штамповочного оборудования........................................... 28 2.3.4. Термообработка поковок............................................................... 29 2.4. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА..................................................................... 30 2.4.1. Холодная объёмная штамповка.................................................... 30 2.4.2. Листовая штамповка..................................................................... 30 2.4.2.1. Разделительные операции............................................. 31 2.4.2.2. Формоизменяющие операции........................................ 31 2.5. РОТАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ОМД.......................................................... 33 2.5.1. Ковочные вальцы.......................................................................... 33 2.5.2. Ротационное и радиальное обжатие.............................................. 34 2.5.3. Раскатка кольцевых заготовок..................................................... 36 2.5.4. Накатка зубчатых колес, резьбы.................................................. 36 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ......................................... 38 3.1. СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ............................................. 38 ВВЕДЕНИЕ Современное машиностроение располагает широким разнообразием способов получения заготовок. Основная тенденция заготовительного производства состоит в сокращении объёма механической обработки заготовок путем приближения их размеров к размерам готовых деталей. Эффективность выбранного способа получения заготовок может быть установлена на основе тщательного анализа технологических, экономических и экологических аспектов производства. Основное назначение заготовительного производства состоит в обеспечении механических цехов предприятий высококачественными заготовками. В машиностроении используют заготовки, получаемые литьем (~35…40%), обработкой давлением (~10…15%), сваркой (~40…45%), а также из пластмасс и порошковых материалов (~1…5%). Средняя трудоемкость заготовительных работ составляет 40…45% в общей трудоемкости изготовления машин. В настоящее время большинство предприятий мирового машиностроения работает по принципам единичного, мелкосерийного и серийного производства. При этом от 30 до 60% металла в процессе изготовления заготовок и деталей идет в отходы (литниковые системы, прибыли, облой, угар, стружка и др.), что не соответствует задачам рационального использования ресурсов. Основные направления в решении этих задач связаны с оптимальным выбором материала детали и способа изготовления заготовки, включая его технико-экономическое обоснование. В этой связи совершенствование заготовительного производства заключается в максимальном приближении формы и размеров заготовки к форме и размерам детали, то есть в сокращении трудоемкости механической обработки резанием при изготовлении деталей машин за счет повышения точности и качества поверхностного слоя заготовок при наименьшей их себестоимости. 1. НАЗНАЧЕНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Деталь с точки зрения конструкторской документации представляет собой изделие, изготовленное из однородного материала без применения сборочных операций. Заготовкой согласно ГОСТ 3.1109-82 называется предмет труда из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь. Заготовки деталей машин получают, в основном, литьём, обработкой давлением (ОМД) и комбинацией этих методов путем сварки. Различают три основных вида заготовок: машиностроительные профили, штучные и комбинированные заготовки. Исходная заготовка - продукт металлургического передела (жидкий расплав, слиток, прокат), поступающий на первую технологическую операцию заготовительного передела и предназначенный для получения заготовки. Выбор заготовок для ответственных деталей машин является задачей конструктора. Если заготовка не задана директивно, то ее вид определяют технологи - проектировщики технологического процесса изготовления деталей, а способ изготовления разрабатывают специалисты заготовительного производства. Припуском Z0 называют слой металла на поверхности заготовки, предназначенный для удаления при последующей механической обработке с целью получения заданных свойств обработанной поверхности детали. Припуски назначают только на те поверхности детали, точность размеров, шероховатость и требуемая форма которых не могут быть достигнуты принятым способом получения заготовки. Напусками называют дополнительные объёмы металла заготовки, упрощающие её конфигурацию, связанные с технологическими особенностями её изготовления или вызванные её некратностью (6) при раскрое исходного прутка (рис.1.1). а) б) Рис. 1.1. Напуски а) упрощающие её конфигурацию (1,2), связанные с технологическими особенностями её изготовления (3-5); б) вызванные её некратностью при раскрое исходного прутка (6) Существует три способа определения припуска: табличный, расчетно-аналитический и на основе теории размерного анализа. Выбранному способу получения заготовки должна соответствовать минимальная норма расхода материала на деталь Мн (кг) которая определяемая по формуле , (1.1) где - масса детали по конструкторскому чертежу; - масса технологического отхода; - масса заготовительного отхода. Масса детали (кг) определяется произведением объёма детали на плотность материала , (1.2) где = мм3, = г/мм3. Плотность стали в расчетах везде можно принимать ρ = 0,00785 г/мм3. Массу детали рекомендуется определять на основе её 3D модели, полученной с использованием современных САПР. Снижение массы детали достигается за счет отработки конструкции изделия на технологичность, применения более качественных материалов и экономичных профилей проката. Масса технологического отхода определяется выражением (1.3) где - технологические потери материала на угар, облой, прибыли, литниковую систему; - технологические потери материала в виде припусков и напусков при механической обработке заготовок. Масса заготовительного отхода непосредственно с процессом изготовления детали не связана. Она определяется условиями поставки материала (отход прутка из-за некратности его длины длине заготовки, полосовой отход при холодной вырубке деталей из листа и др.). Масса, с которой заготовка поступает на первую операцию механической обработки, называется массой заготовки (кг) . (1.4) 1.2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК 1.2.1. Материал детали Материал детали указывается в чертеже детали или задается технологом в соответствии с классом детали и ее назначения (втулка, вал, шестерня, рычаг и т.д.). Первое, что делается перед выбором способа получения заготовки, это изучается характеристика материала (химический состав, механические и технологические характеристики). После изучения характеристики материала детали принимается решение - заготовку детали получают литьём или обработкой давлением. 1.2.2. Тип производства Тип производства – классификационная категория производства, выделяемая по признакам широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий. Типы производства подразделяют: массовое, серийное и единичное. Серийное производство делится: мелкосерийное (близкое к единичному); среднесерийное; крупносерийное (близкое к массовому). Таблица 1.1 Приблизительный объем выпуска деталей для различных типов производства № п/п Тип производства Количество обрабатываемых в год деталей одного наименования и типа размера (объем выпуска N) Крупных, тяжелых, большой трудоемкости, массой свыше 30 кг. Средних размеров, средней трудоемкости, массой от 8 до 30 кг. Небольших, легких, мало трудоемких, массой до 8 кг. 1 Единичное менее 5 менее 10 менее 100 2 Мелкосерийное от 5 до 100 от 10 до 200 от 100 до 500 3 Среднесерийное от 100 до 300 от 200 до 500 от 500 до 5000 4 Крупносерийное от 300 до 1000 от 500 до 5000 от 5000 до 50000 5 Массовое свыше 1000 свыше 5000 свыше 50000 Влияние объем выпуска для каждого типа производства легко проследить по себестоимости одной заготовки , (1.5) где а – текущие затраты (стоимость материала, заработная плата основных рабочих, расходы на эксплуатацию оборудования и инструмента); b – единовременные затраты (на оборудование, инструмент, его амортизацию и ремонт); N - объем выпуска. 1.2.3. Форма и размеры детали Форма и размеры детали влияют на форму, размеры заготовки и определяют её массу, группу сложности и себестоимость изготовления. 1.3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ По ГОСТ 14.205-83 под технологичностью заготовки понимают, насколько она соответствует требованиям производства и обеспечивает надежность работы детали в условиях эксплуатации. Технологичность, как правило, закладывается на стадии проектирования, поэтому от конструктора требуется высокий уровень технологической подготовки. Отработанная на технологичность заготовка не должна усложнять последующую механическую обработку. Различают качественные и количественные показатели технологичности. Количественные показатели: трудоёмкость изготовления заготовки, технологическая себестоимость изготовления, коэффициент использования материала (металла). Трудоемкость изготовления заготовки представляет собой суммарные затраты времени на производство заготовки по всем технологическим операциям. На ранних стадиях проектирования трудоемкость оценивается по трудоемкости типовой заготовки, аналогичной по форме, точности и технологии изготовления, в виде , (1.6) где , - трудоемкость соответственно проектируемой и типовой заготовок; , - масса соответственно проектируемой и типовой заготовок. Чем меньше соотношение трудоемкостей , тем технологичнее заготовка. Технологическая себестоимость изготовления заготовки состоит из следующих элементов , руб/шт (1.7) где – стоимость материала заготовки; – заработная плата производственных рабочих; – возмещение износа оснастки; – расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования за время изготовления одной заготовки. Все элементы себестоимости взаимосвязаны: изменение вида заготовки вызывает изменение затрат на механическую обработку, изменение конструкционного материала может вызвать изменение номенклатуры технологического оборудования. Обобщенный коэффициент использования материала – это отношение массы детали к норме расхода материала на деталь . (1.8) На заготовительной стадии производства пользуются коэффициентом выхода годного . На обрабатывающей стадии применяется коэффициент весовой точности . Следует помнить, что . Если - технология считается безотходной, при - малоотходной, при - обеспечивается средний уровень ресурсосбережения. Таблица 1.2 Средние значения , , для заготовок Вид заготовки Отливка 0,7...0,5 0,85...0,8 0,6...0,4 Обработка давлением 0,95...0,65 0,7...0,55 0,67...0,36 Прокат 0,9...0,75 0,7...0,5 0,63...0,38 Себестоимость детали (рис. 1.2) структурно можно представить в виде непрерывной функции , где Т – точность заготовки, выраженная допуском соответствующего квалитета (мм): , (руб) (1.9) где См – стоимость материала заготовки; Сз – стоимость изготовления заготовки; Сп, Сч, Со – стоимость соответственно предварительной, чистовой и отделочной механической обработки резанием. 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ОБРАБОТКОЙ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ОМД) Процессы ОМД основаны на использовании пластических свойств металлов, т.е. их способности под действием внешних сил изменять свою форму без разрушения. Основные способы ОМД: прокатка, прессование, волочение, свободная ковка, объёмная, листовая штамповка и специальные способы. Технологические возможности способов ОМД приведены в табл.2.1. Первые три, под общим названием прокатно-волочильное производство, применяют в металлургической промышленности для получения машиностроительных профилей. Вторые три, под общим названием кузнечно-штамповочное производство, применяют в машиностроении для получения фасонных изделий. Обработка давлением при температуре выше температуры рекристаллизации называется горячей обработкой давлением, обработка при называется холодной. , (2.1) где – температура плавления металла, ° C; α – коэффициент, зависящий от чистоты металла: для технически чистых металлов α = 0,3…0,4; для сплавов α = 0,6…0,8. Таблица 2.1 № п/п Способ ОМД Тип производства Квалитет точности Шероховатость Rz, Ra, мкм Припуск на сторону, мм ГОСТ 1 Свободная машинная ковка Е, МС 16-17 320-40 2-40 по сечению; 8-70 по длине 0,3-0,6 7829-70 молот; 7062-79 пресс 2 ГОШ на молотах МС, С 15-17 320-40 0,75-4,25 0,44-0,8 7505-89 3 ГОШ на прессах С, КС, М 13-17 160-20 0,5-3,0 0,5-0,8 7505-89 4 ГОШ на ГКМ С, КС, М 13-17 160-20 1,5-3,25 0,55-0,8 7505-89 5 ГОШ + калибровка КС, М 11-15 32-10 0-0,4 0,6-0,85 7505-89 6 Штамповка выдавливанием на прессах С, КС, М 13-17 160-20 0,5-1,5 по сечению; 1,5-4,0 по длине 0,7-0,85 7505-89 7 ХОШ КС, М 8-14 Ra (10-6,3) 0-0,5 0,85-0,95 - 8 Листовая штамповка МС, С 8-10 - - 0,95 - 9 Холодная высадка КС, М 8-11 Ra (3,2-0,32) - 0,95 - 2.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ИЗ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ПРОКАТА В машиностроении прокат применяют либо в качестве исходной заготовки для получения поковок, либо для непосредственного изготовления деталей, когда их конфигурация соответствует форме сортового материала. В металлургической промышленности, преимущественно к металлопрокату, применяется термин сортамент - совокупность прокатных профилей, отличающихся по форме и размерам. Сортамент проката включает 4 группы изделий: листовой – листы, ленты; сортовой – прутки, балки, рельсы; трубный – трубы бесшовные и сварные; специальный (фасонный) – вагонные и зубчатые колеса, периодические и гнутые профили, биметаллы. Валы и оси составляют 10…13% в общем объеме производства деталей машин. По технологическому признаку валы и оси делятся на гладкие и ступенчатые, цельные и пустотелые, валы с фланцами, гладкие шлицевые валы и валы-шестерни, а также комбинированные. По длине L валы делятся на четыре группы: 1 группа – L ≤ 150 мм; 2 группа – L =150…500 мм; 3 группа – L = 500…1200 мм; 4 группа – L > 1200 мм. Валы 3 и 4 групп составляют 85% общего числа валов. По отношению длины L и среднего диаметра D валы делятся на жесткие (L/ D ≤ 8…12) и нежесткие (L/ D >12). Гладкие валы и оси, ступенчатые валы с небольшим (до 15…25%) перепадом между наибольшим и наименьшим диаметрами, изготавливают из круглого проката независимо от типа производства. Однако, если КИМ ниже 0,65…0,75, прокат необходимо обрабатывать давлением, приближая конфигурацию заготовки к форме готовой детали. Обобщенный критерий целесообразности использования проката в качестве заготовки для деталей переменного сечения имеет вид: , (2.2) где , , – соответственно масса детали, масса заготовки из проката и масса штампованной заготовки. Если указанное соотношение не выполняется, целесообразно применять штампованную заготовку. В табл. 2.2 приведены основные стандарты на сортаменты сортового проката, проката из цветных металлов и сплавов и продукцию прессования. Таблица 2.2 Основные стандарты на продукцию проката № п/п Наименование проката № ГОСТа*1 1 Сортовой круглый горячекатаный стальной 2590-06 2 Сортовой круглый калиброванный 7417-75 3 Сортовой квадратный горячекатаный 7417-75 4 Сортовой шестигранный горячекатаный 2879-88 5 Полосовой горячекатаный 103-76 6 Квадратный калиброванный 8559-75 7 Шестигранный калиброванный 8560-78 8 Трубный горячекатаный 8732-78 9 Трубный холоднокатаный и холоднотянутый 8734-75 10 Тонколистовой горячекатаный 19903-74 11 Листы латунные 931-90 12 Листы из алюминия и алюминиевых сплавов 21631-76 13 Прутки бронзовые круглые прессованные 1628-78 14 Прутки латунные круглые, квадратные, шестигранные 2060-73 15 Прутки из алюминия и алюминиевых сплавов круглые, квадратные, шестигранные прессованные 21488-76 *1 – две последние цифры номера ГОСТов могут быть изменены при пересмотре стандартов Сравнение технологий плазменной, лазерной и гидроабразивной резки Достоинства гидроабразивной резки (рис. 2.4) • отсутствие термического воздействия на материал (температура в зоне реза 60-90ºС); • широкий спектр разрезаемых материалов и толщин (до 150 – 230 мм и более); • высокая эффективность резки листовых материалов толщиной более 8 мм; • автоматизация процесса резки; • отсутствие упрочнения кромки и деформирования заготовки; • отсутствие выгорания легирующих элементов в легированных сталях и сплавах; • отсутствие разрывов в структуре материала и сохранение первоначальных свойств материала; • отсутствие оплавления и пригорания материала на кромках обработанных деталей и в прилегающей зоне; • исключение дополнительной механической обработки поверхности реза заготовки при допусках 0,2 – 0,3 мм; • возможность реза тонколистовых материалов в пакете из нескольких слоев для повышения производительности, в том числе, засчѐт уменьшения холостых ходов режущей головки; • экологическая чистота и полное отсутствие вредных газовыделений; полная пожаро- и взрывобезопасность процесса. Недостатки • недостаточно высокая скорость реза тонколистовой стали; • ограниченный ресурс отдельных комплектующих НВД (насос высокого давления) и режущей головки; • одноразовое использование абразивного материала. 2.2.1. Осадка Осадка – кузнечная операция, заключающаяся в увеличении площади поперечного сечения заготовки за счет уменьшения её высоты, для выравнивания торцов, для повышения механических характеристик в тангенциальном и радиальном направлениях. Деформация при осадке может быть выражена величиной уковки: , где - большая площадь поперечного сечения; - меньшая площадь поперечного сечения. Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки, у которых отношение высоты к диаметру больше 2,5, так как при этом возможно искривление оси заготовки. Основными разновидностями осадки являются осадка плоскими бойками, в подкладных кольцах, высадка (рис. 2.7 – 2.9). Рис. 2.7. Схема осадки плоским бойком а) б) Рис. 2.8. Схемы осадки в подкладных кольцах а) - с предварительной оттяжкой хвостовиков; б) - с затеканием металла в отверстия колец; 1, 4 – заготовки до и после осадки; 2, 6 – нижний и верхний бойки; 3, 5 – нижнее и верхнее кольца а) б) Рис. 2.9. Схемы высадки в штампе а) и удаления высаженной поковки б) 1, 4 – нижний и верхний бойки, 2, 5 – кольца, 3 – заготовка, 6 - подкладка 2.2.2. Гибка, скручивание и ковка в подкладных штампах Гибка – операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 2.12 а). Скручивание – операция поворота части заготовки вокруг продольной оси (рис. 2.12 б). При изготовлении небольших партий поковок простой формы применяют ковку в подкладных штампах (рис. 2.12 в) или кольцах. Подкладные штампы не закрепляют в рабочем пространстве оборудования, они имеют один ручей. а) б) в) Рис. 2.12. Гибка, скручивание и ковка в подкладных штампах 2.3. ГОРЯЧАЯ ОБЪЁМНАЯ ШТАМПОВКА (ГОШ) 2.3.1. Выбор способа нагрева и термического режима штамповки В кузнечных и термических цехах для нагрева металла применяют нагревательные печи и электронагревательные устройства. В печах передача теплоты металлу заготовок происходит излучением от нагретых стен печи и конвекцией. В электронагревательных устройствах теплота выделяется в самой заготовке. Всякая печь имеет нагревательную камеру, выложенную огнеупорным материалом. Нижняя часть камеры, на которую укладываются заготовки, называется подом печи. Печи подразделяют на пламенные, работающие на жидком и газообразном топливе, и электрические, в которых источником энергии нагрева является электроэнергия. Рис. 2.13. Схемы нагревательных печей а - камерной; б - методической Электронагревательные устройства делятся на индукционные, контактные и устройства нагрева в расплавах солей. В кузнечных индукционных нагревателях (рис.2.14 а) заготовку 1 помещают внутрь многовиткового индуктора 2, выполненного из полой медной трубки прямоугольного сечения. По индуктору пропускают переменный ток, и в заготовке, помещенной в переменное электромагнитное поле, возникают вихревые токи Фуко, нагревающие её. В устройствах электроконтактного нагрева (рис.2.14 б) концы заготовки 1 зажимают между медными контактами 3, к которым подводится ток большой силы. По закону Джоуля-Ленца в заготовке выделяется теплота, пропорциональная квадрату силы тока. Электроконтактный нагрев рационально применять для удлиненных заготовок длиной , где см. а б Рис. 2.14. Схема индукционного нагрева (а) и контактного нагрева (б) В расплавах солей (рис.2.15) нагревают мерные заготовки, используемые для изготовления точных поковок из высоколегированных сталей (заготовки сверл, малоразмерные кольца подшипников и т.п.). Для нагрева применяют смеси солей ВаCl2 - 30%; NaCl - 70%. Заготовки погружают в расплав 1 в специальном контейнере 2, либо при частичном нагреве по одной устанавливают в специальных захватах. По мере износа электродов 4 специальный механизм 5 обеспечивает подачу их через отверстия в футеровке 3. Температура расплава при применении солей бария около 1300 °С. Рис. 2.15. Схема устройства для нагрева в расплавах солей В условиях единичного и мелкосерийного производства поковок экономически оправдано применение пламенного нагрева. Преимуществами электрического нагрева и нагрева в расплавах солей являются высокая скорость, отсутствие окалины и равномерность прогрева заготовок. Электрический нагрев и нагрев в жидкостях применяются в основном в условиях крупносерийного или массового производства поковок. Максимально допустимую температуру нагрева перед штамповкой (верхний предел) Тв для углеродистых сталей можно приближенно определить по диаграмме состояния «железо-углерод» (рис. 2.16) , (2.4) где – температура, соответствующая линии солидуса диаграммы состояния «железо-углерод», о С. Линия АСD – линия ликвидуса, выше неё все сплавы находятся в жидком состоянии; линия АЕСF – линия солидуса, ниже неё все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия PS – линия нижних критических точек А1, линия GS- линия верхних критических точек А3, линия SE – линия верхних критических точек Аm. Для каждого металла в зависимости от его химического состава установлены вполне определённые температурные интервалы горячей штамповки. Рис. 2.16. Диаграмма состояния «железо-углерод» 2.3.2. Способы горячей объёмной штамповки Таблица 2.6 Способы горячей штамповки (ориентировочная характеристика) Способ получения заготовок Характеристика получаемых заготовок Припуски и допуски Преимущественно используемое оборудование Штамповка в открытых штампах Масса до 3 т (в основном 50 -100 кг); сложной формы. Углубления или отверстия в боковых стенках поковок невозможны Припуски и допуски по ГОСТ 7505-89. Припуски на сторону для поковок, изготовляемых на молотах, массой до 40 кг с размерами до 800 мм - от 0,6 - 1,2 до 3,0 - 6,4 мм. Поле допусков соответственно от 0,7-3,4 до 1,6 - 11 мм. Для штампованных заготовок, изготовляемых на кривошипных прессах, припуски на 0,1 - 0,6 мм меньше. При холодной калибровке (чеканке) допуски от ± (0,1 ... 0,25) мм (калибровка обычной точности) до ± (0,05 ... 0,15) мм (калибровка повышенной точности) Кривошипные горя­чештамповочные прессы усилием 6,3 - 100 МН; штамповочные молоты с массой падающих частей: паровоздушные двойного действия 0,5 - 35 т, гидравлические до 2,5 т; с двусторонним ударом паровоздушные и гидравлические - до 60 т; простого действия, паровоздушные, цепные - соответственно до 10, 5 и 8 т; винтовые фрикционные прессы усилием 0,4 - 60 МН; гидравлические штам­повочные прессы усилием до 700 МН Штамповка в закрытых штампах Масса до 50 - 100 кг; простой формы, пре­имущественно в виде тел вращения. Применяются для сокращения расхода металла (отсутствует заусенец) и для сталей и сплавов с пониженной пластичностью Вылавливание и прошивка Масса до 75 кг; круг­лые, конические или ступенчатые, фасонного сечения; стержень с массивной головкой различной формы; типа втулок (стаканов) с глубокой глухой или сквозной полостью и односторонним фланцем Припуски и допуски для наружных диаметров 5 - 150 мм; для диаметров полостей 10 - 100 мм Кривошипные горя­чештамповочные (модифицированные), винтовые фрикционные и гидравлические прессы Штамповка в штампах с разъемными матрицами Масса до 150 кг; сложной формы, например, с отверстиями в боковых стенках, не выполнимыми без напусков другими способами Аналогичные штам­повке в открытых штампах, но допуски несколько больше в направлении разъема частей матриц То же, и специальные машины Штамповка на горизонтально-ковочных машинах Масса до 30 кг; в виде стержней с головками или утолщениями различной формы, полые, со сквозными или глухими отверстиями, фланцами и выступами. Предпочтительна форма тела вращения Максимальные при­пуски и допуски по ГОСТ 7505. Припуск на 40 - 50 % больше, чем при штамповке на молотах Горизонтально-ковочные машины уси­лием 1 - 4 МН Гибка Изогнутые в одной или нескольких плоскостях, получаемые из проката различного профиля (стандартного и специального) В зависимости от исходной заготовки. В результате гибки возникают искажения на участках с малым радиусом Горизонтально-гибочные машины (бульдозеры) с усилием 0,15 - 5 МН; кривошипные прессы Вальцовка Переменного сечения массой до 5 кг, длиной до 50 - 60 мм, типа слесарного ин­струмента, шатунов, кулачков, звеньев гусениц Допуск по длине за­готовки 1 - 5 мм, по высоте и ширине 0,5 - 0,8 мм Ковочные вальцы с диаметром валков 600 - 1000 мм Все переходы горячей объёмной штамповки можно разделить на три основные группы: заготовительные, штамповочные и разделительные (рис. 2.17). Штампы для ГОШ. При объёмной штамповке формообразование заготовки происходит в полости (ручье) специального инструмента – штампа. В зависимости от типа штампа различают штамповку: в открытых и закрытых штампах, выдавливанием и на горизонтально-ковочной машине (ГКМ). Рис. 2.17. Многоручьевой молотовой штамп и переходы штамповки 1 – поковка; 2 – окончательный ручей; 3 – протяжной ручей; 4 – подкатной ручей; 5 – предварительный ручей; 6 – гибочный ручей; 7 – исходная заготовка; 8 – протяжка; 9 – подкатка; 10 – гибка; 11 – предварительная штамповка; 12 – окончательная штамповка 2.3.3. Выбор штамповочного оборудования В качестве штамповочного оборудования используются пневматические штамповочные молоты, кривошипные и гидравлические прессы, горизонтально-ковочные машины, ковочные вальцы, ротационно и радиально-обжимные машины и другое специализированное оборудование. При выборе штамповочного оборудования и способа штамповки руководствуются конфигурацией детали и экономичностью техпроцесса с учетом типа производства. В условиях единичного и мелкосерийного производства наиболее экономичной является штамповка на пневматических штамповочных молотах в подкладных или открытых штампах (рис.2.21). Кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП) предназначены для штамповки поковок из прокатного пруткового материала или фасонного проката в открытых штампах, а также в закрытых штампах и выдавливанием (рис. 2.22). На рисунке 2.23 показана горизонтально-ковочная машина для штамповки на ГКМ. Рис. 2.21. Схема штамповочного молота Рис. 2.22. Схема кривошипного горяче-штамповочного пресса 2.3.4. Термообработка поковок Для снятия внутренних напряжений, улучшения структуры, получения требуемой твердости применяют следующие виды термической обработки стальных поковок: отжиг, нормализация, закалка, улучшение и отпуск. На рис.2.24 приведены температурные области термообработки стальных поковок с различным содержанием углерода. Рис. 2.24.Температурные области термообработки стальных поковок Отжиг – нагрев доэвтектоидной стали выше точек А3, заэвтектоидной стали – выше Аст и выдержка с последующим охлаждением вместе с печью. Нормализация – нагрев выше линии А3 или А1, выдержка и охлаждение на воздухе. Закалка – нагрев выше точек А3 или А1, выдержка и быстрое охлаждение в воде или масле. После закалки получается пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с искаженной структурой, называемой мартенситом. Закалку с высоким отпуском называют улучшением. 2.4. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА 2.4.1. Холодная объёмная штамповка К объёмной штамповке относятся операции осадки, объёмной формовки, выдавливания, высадки, калибровки, чеканки, выполняемые аналогично одноименным операциям ГОШ. Холодное выдавливание применяют для получения деталей из алюминиевых, медных, магниевых сплавов, из конструкционных (содержание углерода < 0,45%) и низколегированных сталей. Холодная высадка – безотходный способ изготовления крепежных деталей и малоотходный – при изготовлении деталей типа ступенчатых и шаровых пальцев длиной до 300 мм, роликов и шариков диаметром до 50 мм. Для холодной высадки применяют калиброванный материал круглого сечения с допусками по 8…11 квалитетам. Применяемые материалы: стали марок от ст.08 до сталь 45; инструментальные стали У10А, У12А; легированные стали 15Г, 20Г, 35Г2, 15Х, 40Х, 40ХН, 15ХФ, 20ХФ, ШХ15; сплавы цветных металлов: Д1, Д16, латунь ЛС59-1 и др. Рис. 2.25. Схема штамповки на холодновысадочном автомате 2.4.2. Листовая штамповка Листовая штамповка – способ изготовления плоских и объёмных тонкостенных (S≤10мм) изделий из листов, полос или лент с помощью штампов на прессах. Все операции листовой штамповки делятся на разделительные и формоизменяющие. 2.4.2.1. Разделительные операции Разделительные операции: отрезка, вырубка-пробивка. Отрезка – полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем сдвига. При вырубке и пробивке (рис.2.26) пуансон 2 вдавливает отделяемую часть материала в отверстие матрицы. Рис. 2.26. Схема вырубки (пробивки) 1 - пуансон; 2 - заготовка, 3 - матрица; z – зазор 2.4.2.2. Формоизменяющие операции Формоизменяющие операции: гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, формовка. Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки (рис.2.27 а). В местах изгиба наружные слои заготовки растягиваются, внутренние – сжимаются; между ними расположен нейтральный слой, не испытывающий ни растяжения, ни сжатия. По развернутой длине нейтрального слоя определяют длину заготовки до гибки. Рис. 2.27. Схемы формоизменяющих операций а – гибки; б – вытяжки без утонения стенки; в – вытяжки с утонением стенки: 1 – матрица; 2 – деформируемая заготовка; Вытяжка – образование полой детали из плоской или полой листовой заготовки. При вытяжке без утонения стенки (рис. 2.27 б) вырубленную заготовку 6 диаметром D давлением пуансона 3 втягивают в отверстие матрицы 1. По ширине фланца, равной (D - d), возникают радиальные растягивающие и тангенциальные сжимающие напряжения. Сжимающие напряжения приводят к некоторому утолщению материала у верхнего, торцового края изделия, а при (D – d) > (18…20) S – к образованию складок. Для предотвращения образования складок применяют прижим фланца заготовки к плоскости матрицы (поз.5). Между поверхностями пуансона и матрицы предусматриваю зазор z = (1,1…1,3)S. Возможность вытяжки за один переход без обрыва дна определяется коэффициентом вытяжки Кв = D/d, который в зависимости от механических свойств металла составляет 1,8…2,1. Если по расчету Кв окажется больше допустимой величины, вытяжку выполняют за два перехода. При вытяжке с утонением стенки (рис.2.27 в) зазор между матрицей и пуансоном меньше толщины стенки исходной заготовки, которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. За один переход толщина стенки может быть уменьшена в 1,5…2,0 раза. Размеры заготовки определяют из условия равенства объёмов металла заготовки и изделия. Отбортовка – образование борта по внутреннему или наружному контуру листовой заготовки (рис. 2.28 а). Во избежание образования продольных трещин необходимо, чтобы коэффициент отбортовки Кот = dБ/dо = 1,2…1,8. Диаметр отверстия под отбортовку определяют по формуле dо = D1 - π∙(rм + S/2) - 2h. Рис. 2.28. Схемы операций: а – отбортовки; б – обжима; в – формовки 1 – изделие; 2 – заготовка; 3 – пуансон; 4 – матрица; 5 – подставка – упор; 6 – резиновая подушка Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения полой заготовки (рис. 2.28 б). Во избежание образования продольных складок в обжимаемой части необходимо соблюдать коэффициент обжима Ко = Dзаг/dизд = 1,2…1,4. Рельефная формовка – образование рельефа в листовой заготовке с её местным деформированием (рис. 2.28 в). Рельефную формовку (рис. 2.29) применяют для образования на поверхности деталей различных по форме элементов жесткости вследствие растяжения металла и уменьшения его толщины. Рис. 2.29. Геометрические параметры элементов, изготовляемых при рельефной формовке 2.5. РОТАЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ОМД 2.5.1. Ковочные вальцы Из всей номенклатуры поковок значительную часть составляют поковки удлиненной формы с резкой разницей площади сечений по длине. Для перераспределения металла исходной заготовки по длине применяют заготовительные ручьи молотовых штампов (протяжной, подкатной). Операции протяжки и подкатки самые трудоёмкие, на них тратится до 80% всего времени обработки. Поэтому для разгрузки штамповочных молотов целесообразно перевести изготовление фасонных заготовок на специализированные агрегаты – ковочные вальцы, оставляя за молотом или прессом окончательную штамповку. Ковочные вальцы представляют собой прокатный стан с секторными валками и предназначены для изготовления фасонных заготовок под последующую горячую штамповку на прессах и молотах. Вальцовка заготовок делится на два вида: продольную и поперечную. В вальцах первого вида (рис. 2.30) заготовка движется в продольном осевом направлении; в вальцах для поперечной вальцовки (рис. 2.31) заготовка вращается вокруг своей оси. По числу ручьев различают одноручьевую и многоручьевую вальцовку. Рис. 2.30. Схема продольной вальцовки а – подача заготовки; б - процесс вальцовки; 1, 6 – передний и задний столы, 2, 7 – верхний и нижний валки; 3 – проводки, 4 – заготовка, 5 – упор Рис. 2.31. Схема поперечно-клиновой вальцовки а – валково-сегментной, б – плоскоклиновой, в – валково-клиновой; 1 – сегмент, 2 – заготовки, 3, 4 – валковый и плоский инструменты 2.5.2. Ротационное и радиальное обжатие Радиальным обжатием называют уменьшение площади поперечного сечения заготовки периодически перемещающимися в радиальном направлении бойками при относительном вращении заготовки и инструмента (рис. 2.32). Операции продольной протяжки в бойки, из бойков и сквозная протяжка производятся с постоянной степенью обжатия продольным перемещением заготовки в предварительно установленный размер штампового пространства бойков – после каждого хода бойков заготовка подается в заходной конус бойков на величину подачи S. Рис. 2.32. Схемы операций, выполняемых радиальным обжатием а – продольная протяжка в бойки, б – продольная протяжка из бойков, в – сквозная протяжка, г - поперечная протяжка, д - комбинированная протяжка; 1 – заготовка, 2 – бойки, 3 – захват манипулятора Сквозная протяжка осуществляется за счет перехвата тянущим манипулятором обжатой заготовки, подаваемой в бойки толкающим манипулятором. При поперечной протяжке с переменной степенью обжатия удлинение заготовки происходит за счет уменьшения величины межштампового пространства на величину Sп. Ротационное обжатие (рис. 2.33 а) применяют для получения поковок небольших сечений: диаметром до 50 мм для сплошных и 100 мм для полых сечений. Рис. 2.33. Схемы деформирования заготовок на ротационно-обжимных (а) и радиально-обжимных (б) машинах 1 – бойки, 2 – заготовка, Е – регулируемый эксцентриситет Для материалов с пределом текучести σт > 1050 МПа и для поковок с большой площадью поперечного сечения (Dз > 40…50мм) применяют обработку с нагревом до температур теплой или полугорячей обработки (300-750°С). Выбор РОМ производят по усилию, необходимому для единичного обжатия в проходе с максимальной степенью обжатия. При холодном обжатии со смазкой µ = 0,2. 2.5.3. Раскатка кольцевых заготовок Горячую раскатку кольцевых заготовок осуществляют тремя способами: открытым, полуоткрытым и закрытым. Открытый способ наиболее распространен (рис. 2.34). Применение раскатки поковок при изготовлении колец обеспечивает следующие преимущества: повышенную точность формы за счет уменьшения разностенности, овальности и допусков; снижение припусков и напусков; возможность штамповки предварительно откованных заготовок на ГКМ для последующей раскатки. В табл. 35 и 36 [5] приведены характерные формы кольцевых поковок с симметричным и несимметричным профилем сечения, раскатываемых открытым способом. Рис. 2.34. Схема открытого способа раскатки кольцевых заготовок 1 – раскатываемая заготовка; 2 – центральный раскаточный валок; 3 – вращающийся нажимной валок; 4 – направляющий ролик; 5 – контрольный ролик Степень обжатия, как отношение площадей поперечных сечений кольцеобразной поковки до и после раскатки, назначают в пределах 1,3…1,6. Точность размеров поковок по наружному диаметру зависит от наладки контрольного ролика 5 (рис. 2.34), а по внутреннему диаметру – от точности объёма исходных заготовок. Допуск на наружный диаметр составляет ТDрз ≈ 0,01Dрз, на внутренний Tdрз ≈ (0,022dрз+0,6) мм. Параметр шероховатости после раскатки Rz = (10…3,2) мкм. 2.5.4. Накатка зубчатых колес, резьбы На практике применяют два техпроцесса накатки: для колес с модулем до 4-х мм и для колес с модулем 5 мм и выше. В первом случае зубчатые колеса устанавливают на определенное межцентровое расстояние, а заготовки, нанизанные на стержень и зажатые, располагают точно посередине между валками чуть ниже их (рис. 2.35). Скорость осевой подачи заготовок (V = 2…10 м/с) выбирают так, чтобы заготовки нагревались до температуры прокатки 1000…1050° за время прохождения через индуктор. Заборной конической частью валков осуществляется деформация заготовки и формирование зубьев, а цилиндрической частью – их калибровка. В процессе прокатки на валки подается технологическая смазка – смесь графита с веретенным маслом. Этот техпроцесс обеспечивает изготовление зубчатого венца с прямыми и косыми зубьями до 10-й степени точности. а в Рис. 2.35. Схема накатки зубчаты колес а – с продольной подачей, в - с радиальной подачей Рис. 2.36. Схема накатки резьбы 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК Отливка - изделие или заготовка, полученая технологическим методом литья. Заготовки получают путём заливки жидкого металла в формы. Около 75 % всех отливок (по массе) изготовляют из чугуна, примерно 20 % из сталей и до 4 % - из цветных сплавов. 3.1. СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК Основные способы изготовления отливок – литьё в разовые песчано-глинистые формы; в оболочковые формы; в кокиль; по выплавляемым, газифицируемым моделям; литьё под давлением; центробежное литьё. Последние пять способов называют специальными. Характеристика отливок, получаемых различными методами, приведена в табл. 3.1. Таблица 3.1 Способы изготовления отливок, их особенность и область применения № п.п Способы изготовления отливок Масса отливки, т Материал Область применения и особенность способа Разовые формы 1 В песчано-глинистые формы Ручная формовка: в почве с верхом До 200 Сталь, серый, ковкий и высокопрочный чугун, цветные металлы и сплавы Станины, корпуса машин, рамы, цилиндры, шаботы молотов, траверсы по шаблону До 100 Отливки в виде тел вращения (зубчатые колеса, кольца, диски, трубы, шкивы, маховики, котлы, цилиндры) в крупных опоках Станины, бабки, коробки скоростей, блоки цилиндров в съемных опоках со стержнями из быстротвердеющей смеси До 35 Станины ГМК, болтовысадочных автоматов, ножниц: позволяет уменьшить припуски на 25 - 30 % и трудоемкость механической обработки на 20 - 25 % в почве с верхней опокой с облицовочным слоем из быстротвердсющей смеси До 25 Шаботы, станины, цилиндры; позволяет снизить трудоемкость изготовления заготовки и механической обработки за счет уменьшения припусков на 10 - 18 % в стержнях До 2 Отливки со сложной ребристой поверхностью (головки и блоки цилиндров, направляющие) в почве открытая До 0,15 Отливки, не требующие механической обработки (плиты, подкладки) в мелких и средних опоках До 0,1 Рукоятки, шестерни, шайбы, втулки, рычаги, муфты, крышки Машинная формовка: в крупных опоках До 2 Бабки, суппорты, корпуса небольших станин в мелких и средних опоках До 0,1 Шестерни, подшипники, муфты, маховики; позволяет получать отливки повышенной точности с низкой шероховатостью поверхности 2 Литье в оболочковые формы: песчано-смоляные До 0,15 Сталь, чугун и цветные сплавы Ответственные фасонные отливки в крупносерийном и массовом производстве химически твердеющие тонкостенные (10 - 20 мм) До 0,2 Ответственные фасонные мелкие и средние отливки химически твердеющие толстостенные (толщиной 50 - 150 мм) До 40 Большие отливки (станины штамповочных молотов, подушки прокатного стана) жидкостекольные оболочковые До 0,1 Углеродистые и коррозионностойкие стали, кобальтовые, хромистые и алюминиевые сплавы, латунь Точные отливки с низкой шероховатостью поверхности в серийном производстве 3 Литье по моделям: по выплавляемым моделям До 0,15 Высоколегированные стали и сплавы (за исключением щелоных металлов, реагирущих с кремнезмом облицовочного слоя) Лопатки турбин, клапаны, дюзы, шестерни, режущий инструмент, детали приборов. Керамические стержни позволяют изготовлять отливки толщиной 0,3 мм и отверстия диаметром до 2 мм по растворяемым моделям До 0,15 Титан, жаропрочные стали Лопатки турбин, детали приборов. Солевые модели снижают шероховатость поверхности по замораживаемым моделям До 0,14 Тонкостенные отливки (минимальная толщина стенки 0,8 мм, диаметр отверстия до 1 мм) по газифицируемым моделям До 15 Любые сплавы Мелкие и средние отливки (рычаги, втулки, цилиндры, корпуса) Многократные формы 4 Литье в формы: гипсовые 0,10 Сталь, чугун, цветные металлы и сплавы Крупные и средние отливки в серийном производстве песчано-цементные 70 кирпичные 200 шамотно-кварцевые 100 глинистые 50 графитовые 0,014 каменные 0,03 металлокерамические и керамические 0,025 5 Литье в кокиль: с горизонтальной, вертикальной и комбинированной плоскостью разъема 7 (чугун), 4 (сталь), 0,5 (цветные металлы и сплавы) Сталь, чугун, цветные металлы и сплавы Фасонные отливки в крупносерийном и массовом производстве (поршни, корпуса, диски, коробки подач, салазки) в облицованный кокиль 0,25 Сталь аустенитного и ферритного классов Лопатки рабочих колес гидротурбин, коленчатые валы, буксы, крышки букс и другие крупные толстостенные отливки 6 Литье под давлением: на машинах с го­ризонтальными и вертикальными камерами прессования 0,10 Магниевые, алюминиевые, цинковые и свинцово-оловянные сплавы, сталь Отливки сложной конфигурации (тройники, колена, кольца электродвигателей, детали приборов, блок двигателя) с применением вакуума 0,05 Медные сплавы Плотные отливки простой формы Вопросы к зачету по ПиМоЗ 1. Факторы, определяющие выбор способа получения заготовок. 2. Проектирование заготовок из машиностроительных профилей проката. 3. Способы разделки проката на штучные заготовки. 4. Заготовки получаемые свободной ковкой, применение. Основные операции машинной ковки. 5. Выбор способа нагрева, термические режимы ГОШ. 6. Штамповка в открытых штампах, применение. 7. Штамповка в закрытых штампах, применение. 8. Штамповка на горизонтально-ковочной машине, применение. 9. Штамповка выдавливанием, применение. 10. Выбор штамповочного оборудования. 11. Холодная объёмная штамповка. 12. Операции листовой штамповки. 13. Ротационное и радиальное обжатие. 14. Накатка зубчатых колес, резьбы. 15. Литьё в песчано-глинистые формы, применение. 16. Литьё в оболочковые формы, применение. 17. Литьё в кокиль, применение. 18. Литьё под давление, применение. 19. Центробежное литьё, применение.