Физико-механические основы обработки давлением

 

Для правильного выбора машин, проектирования технологических процессов и рациональной геометрии инструмента необходимо знание физико-механических основ обработки давлением. Обработка давлением основана на пластичности материалов, то есть их способности получать пластические деформации. Как упругие, так и пластические деформации осуществляются в твердых телах в результате относительного смещения атомов. При упругих деформациях смещения атомов из положений равновесия небольшие и они увеличиваются пропорционально увеличению сил, вызвавших это смещение (закон Гука). С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает до определенного предела, после чего атомы смещаются на расстояния, больше межатомных, и остаются в новых положениях устойчивого равновесия. Сумма таких смещений создает пластическую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Величину формоизменения оценивают степенью деформации ἑ. Силы взаимосвязи атомов противостоят действию внешних сил, и поэтому твердое тело оказывает сопротивление деформированию. Последнее, характеризуют величиной удельного усилия (напряжения σ), вызывающего пластическую деформацию при данных условиях деформирования. Напряжения и деформации в объеме деформируемого тела распределены неравномерно. Напряжения на поверхностях контакта можно рассчитать методами, известными из теории обработки давлением. Если нормальное напряжение σ _и (направленное перпендикулярно к контактной поверхности) постоянно по всей поверхности контакта заготовки 1с инструментом 2(рис. 29, а) или заменено его средней величиной σ _ср в случае σ _ср неравномерного распределения <х_н по контактной поверхности, то деформирующее усилие

Р = σ F или Р=σ_cpF,

где: F – площадь проекции контактной поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению деформирующего усилия. Определение деформирующего усилия требуется для выбора машин для обработки давлением и для расчета инструмента на прочность.

Сопротивление деформированию и пластичность металла зависят от его химического состава, температуры, скорости деформации и схемы нагружения. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали, ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию, что часто используют, применяя нагрев заготовок перед обработкой давлением. Повышение скорости деформации (изменение степени деформации в единицу времени) снижает пластичность и увеличивает сопротивление деформированию, однако при очень высоких скоростях (например, при электромагнитной и взрывной штамповке) для многих металлов допустимы чрезвычайно большие степени деформации без разрушения. Схема нагружения, создающая всестороннее неравномерное сжатие заготовки, способствует повышению пластичности металла и его сопротивления деформированию. Поэтому, например, в процессах прессования металл проявляет большую способность к пластической деформации, чем при волочении.

Пластичность, а, следовательно, и технологические возможности обработки давлением следует рассматривать не как неизменное свойство какого-либо материала, а как его состояние, зависящее от условий обработки. Следует создавать комплекс условий (мелкозернистая структура металла, соответствующие температура и скорость деформации), в которых некоторые металлы переходят в состояние сверхпластичности.

Процессы обработки давлением в состоянии сверхпластичности, позволяют осуществлять огромные деформации металлов и сплавов при пониженном сопротивлении их деформированию. При этом несколько технологических операций совмещают в одной операции и для обработки давлением используют менее мощное оборудование. Дальнейшее совершенствование технологии обработки давлением базируется на глубоком изучении природы пластической деформации.

Холодная пластическая деформация металлов возникает в результате изменения формы и размеров зерен (внутрикристаллитная деформация) и их относительного перемещения (межкристаллитная деформация). В первом случае деформирование проходит по самим зернам (рис. 29, а),во втором – по границам зерен.Основную роль в процессах пластического формообразования играет внутрикристаллитная деформация, так как при межкристаллитной холодной деформации возникают повреждения и трещины на границах зерен.

 

 

Рис. 29. Схемы деформирования зерен материала

 

Внутрикристаллитное деформирование происходит в большинстве случаев скольжением. При действии на зерно силы Р (рис. 29, б) на плоскостях, наклоненных к направлению этой силы, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна относительно друг друга. При достижении критической величины касательного напряжения произойдет скольжение – параллельное смещение тонких слоев кристаллита относительно смежных слоев по плоскостям скольжения (рис. 28, в),которые наблюдаются на поверхности деформированного металла в виде тонких линий. Более глубоко процесс скольжения можно объяснить с помощью теории дислокаций.

Межкристаллитное деформирование – это смещение и взаимный поворот зерен относительно друг друга без нарушения сплошности металла. В результате холодного деформирования зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, образуя полосчатую микроструктуру. Вместе с зернами вытягиваются и неметаллические включения на их границах, образуя волокнистое строение металла. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, изменению механических и физико-химических свойств металла, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастает прочность и твердость, снижается пластичность, меняется электропроводность, магнитная проницаемость металла и т. д.

При нагреве холоднодеформированного металла и деформировании нагретого металла в нем происходят разупрочняющие процессы, называемые возвратом и рекристаллизацией. Возврат для чистых металлов проявляется при температуре выше 0,ЗТ_пл и выше. Увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов искаженной кристаллической решетки позволяет им вернуться в положение устойчивого равновесия, и остаточные напряжения в металле снимаются. При этом несколько увеличивается пластичность, а полосчатая и волокнистая структура металла не меняется.

Рекристаллизация происходит при увеличении температуры до 0,4Т_пл для чистых металлов. При этом подвижность атомов достаточна для их перегруппировок, приводящих к возникновению и росту новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. Наклеп полностью снимается, полосчатая структура переходит в равноосную, а волокнистая структура сохраняется, так как вытянутые неметаллические включения не подвергаются рекристаллизации. Если в процессе деформирования рекристаллизация успевает полностью произойти, деформацию называют горячей.

Обработка давлением существенно влияет на свойства материала. Она позволяет улучшить качество литого металла, так как литая дендритная структура преобразуется в относительно мелкое равноосное зерно. При горячей деформации ликвидируются пустоты и микротрещины внутри слитка, уменьшается его ликвация (неоднородность химического состава) вследствие значительных перемещений слоев металла.

Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость металла вдоль его волокон выше, чем поперек), поэтому течение металла при обработке давлением следует направлять так, чтобы во­локна совпадали с направлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Например, при изготовлении коленчатых валов штамповкой прочность его на 10÷15% выше прочности вала, полученного обработкой резанием. Для некоторых изделий волокнистость нежелательна. В таких случаях ее устраняют частично или полностью многократным изменением направления течения металла в процессе его деформирования (например, прокаткой листов в продольном, поперечном направлении и по диагонали). Наклеп при холодной деформации в 1,5÷2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности, поэтому в некоторых случаях изделия специально подвергают упрочняющему деформированию. Учитывая явления, оказывающие влияние на качество металла при пластическом деформировании и сознательно управляя ими, можно создавать такие условия обработки давлением, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными качествами.

 

Холодная штамповка

Холодная штамповка ÷ это формообразование деталей в штампах холодной пластической деформацией металла заготовки при комнатной температуре. Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения качественных заготовок в машиностроительной, приборостроительной, электротехнической и других отраслях промышленности. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления. Производительность автоматической холодной штамповки достигает нескольких сотен заготовок в минуту.

Возможность осуществления процессов холодной штамповки и качество готовых заготовок во многом определяет качество исходного материала. В металлургических процессах выплавки металла нужно обеспечить его необходимый химический состав и отсутствие загрязнений металла. Технологические режимы прокатки и термообработки заготовок должны способствовать получению равномерной мелкозернистой структуры металла. Нужно обеспечить правильные условия хранения металла на складе и каждую новую партию металла проверить на штампуемость. Чем больше штампуемость металла, тем более сложные изделия и с наименьшими трудностями можно получить из него холодной штамповкой.

Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. Заготовки обычно смазывают для снижения усилий штамповки, повышения стойкости инструмента, обеспечения качества поверхности и предотвращения трещин и других дефектов деталей. Для создания прочного разделительного слоя между инструментом и заготовкой поверхность последней покрывают промежуточным слоем (например, фосфатированне, омеднение, цинкование и др.).

В процессах холодной штамповки непрерывно меняется не только форма, но и структура металла и его физико-механические характеристики. Возникающий при этом наклеп металла в некоторых случаях ограничивает возможности формообразования, поэтому процессы холодной штамповки часто выполняют за несколько технологических переходов с постепенным приближением к окончательной форме и размерам готовых деталей и с промежуточным отжигом металла для восстановления его пластических свойств.

В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов, которые определяют тип штампуемой заготовки, холодную штамповку делят на объемную (сортового металла) и листовую (листового металла). Объемную штамповку выполняют на прессах илиспециальных холодноштамповочных автоматах. Ее основными разновидностями являются: высадка, выдавливание и объемная формовка.

 

Высадка

Высадка это – осадка части заготовки, то есть образование местных утолщений требуемой формы, например, головок болтов, винтов и заклепок. Можно высаживать утолщения, концентричные и эксцентричные относительно оси стержня, как на концевых, так и на срединных участках заготовок. Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка диаметром 0,5÷50 мм из черных и цветных металлов. Высадкой изготовляют стандартные и специальные крепежные детали, а также другие детали массового производства, например, кулачки и зубчатые колеса заодно с валом, детали электронной аппаратуры, электрические контакты и т. п. При высадке за один удар отношение длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру должно быть не более 2,5÷2,8. В противном случае возможен изгиб, поломка заготовки или образование головки неправильной формы.

 

Рис. 30. Технологическая схема штамповки на холодновысадочном автомате

 

Высадку выполняют на холодновысадочных автоматах различных конструкций. Рассмотрим последовательность изготовления крепежных деталей на двухударном автомате с цельными матрицами – инструментами в виде углубленных форм (рис. 30). Проволока из бунта (мотка) 1 проходит через правильное устройство 2 и затем калибруется протягиванием через фильеру 3 для получения более точного диаметра и улучшения качества поверхности. Затем она смазывается и валками 4 подается через отрезную матрицу 5 до упора 7. Нож 6 отрезает заготовку требуемой длины, определяемой положением регулируемого упора 7,и переносит ее на линию высадки. Предварительный (черновой) инструмент – пуансон 9заталкивает заготовку в матрицу 10 до упора и производит первую высадку (первый удар). Затем на линию высадки перемещается окончательный пуансон 12 и производит вторую высадку (второй удар), после чего выталкиватель 11 удаляет из матрицы 10 полуфабрикат 14. Рабочие ходы ползуна 8,перемещения пуансонов на салазках 13 и срабатывание выталкивателя 11 осуществляются механической системой валов, зубчатых передач и кулачковых механизмов. После высадки следует операция заострения – снятие фаски резцами 15 и накатка резьбы плоской подвижной 17 и неподвижной 16 плашками. Канавки на плашках, точно соответствующие профилю резьбы, заполняются в результате пластического течения металла при внедрении резьбовых гребней плашек в поверхность заготовки. Получают резьбу повышенной прочности и достаточно точной при высокой производительности процесса и экономии металла. Также эффективно накаткой получают различные рифления, шлицы на валах, мелкие зубья и т. п. Подрезку торцов, заострение и накатку резьбы производят на отдельных станках или соответствующими операциями на автоматах-комбайнах, выпускающих окончательно обработанные детали. Шестигранные головки болтов получают обрезкой граней у круглых высаженных головок на обрезных автоматах или высадкой готовых шестигранников, однако из-за затрудненного течения металла в этом случае снижается стойкость инструмента и возможен брак.

 

Выдавливание

 

Выдавливаниеэто – формообразование сплошных или полых изделий вследствие пластического течения металла из полости штампа через отверстия соответствующей формы. Различают: прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливания (рис. 31). При прямом выдавливании металл течет из матрицы 2 в направлении движения пуансона. При этом зазор между пуансоном и матрицей должен быть небольшим, чтобы в него не вытекал металл. В противном случае образуется торцовый заусенец, который нужно удалять дополнительной обработкой. Этим способом получают детали типа стержня с утолщением (например, клапаны), трубки или полые стаканы с фланцем.

При обратном выдавливании металл течет навстречу пуансону в кольцевой зазор между пуансоном 1 и матрицей 2 (для получения деталей с дном: экраны радиоламп, тюбики и т. п.) или, реже, в отверстие в пуансоне (для получения деталей типа стержня с фланцем).

 

Рис. 31. Схемы выдавливания:

а – прямое; б – обратное; в – боковое; г – комбинированное

 

Толщина стенки выдавленных стальных деталей обычно 1,5÷5 мм, алюминиевых – более 0,08 мм. При боковом выдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона. Так получают детали с отростками типа тройников, крестовин и т. п. Для их удаления из штампов матрицу делают составной из двух половин с плоскостью разъема, проходящей через осевые линии исходной заготовки и получаемого отростка. При комбинированном выдавливании металл течет одновременно по нескольким направлениям. При этом возможны различные сочетания схем выдавливания, например, прямое и обратное выдавливание.

Заготовками для выдавливания служит проволока (катанка ) и горячекатаныйпруток нормальной точности. Иногда заготовки вырубают из листа. В этом случае требуется хорошее качество среза и устранение отжигом наклепа краев заготовки после вырубки, чтобы предотвратить разрывы кромок стаканов при выдавливании. Выдавливанием получают детали преимущественно цилиндрической или близкой к ней формы. Реже, детали с неконцентричными участками в машиностроительной, приборостроительной, электротехнической и других отраслях промышленности; например, корпуса автомобильных свечей зажигания, конденсаторных батарей, генераторов, выключателей и т. п. Точность размеров и шероховатость поверхностей деталей соответствуют получаемым при обработке резанием.

Для выдавливания требуются большие удельные усилия, что в некоторых случаях может приводить к поломкам или низкой стойкости инструмента. Эти обстоятельства часто сдерживают более широкое применение процессов выдавливания в производстве.

Стойкость пуансонов и матриц для выдавливания обеспечивается применением для их изготовления высококачественных инструментальных сталей и правильным конструированием (без резких переходов с плавными сопряжениями между отдельными участками для облегчения течения металла и снижения удельных усилий выдавливания). Силы трения снижают полированием рабочих частей инструмента, применением для каждого типа металла оптимальных покрытий поверхности заготовок и смазок.

 

Объемная холодная формовка

 

Объемная формовка это – формообразование деталей вследствие заполнения металлом полости штампа. Производится в открытых штампах с вытеканием излишка металла в специальную полость для образования заусенца (рис. 32, а) и в закрытых штампах без образования заусенца (рис. 32, б). После штамповки в открытом штампе заусенец обрезают в специальном обрезном штампе. Заусенец имеет толщину h₃ в среднем 1,5÷2 мм и его объем возрастает с увеличением различия между конфигурацией исходной заготовки и полости ручья штампа. Следовательно, форма и размеры заготовок должны быть выбраны с учетом наименьшего расхода и наилучшего течения металла при заполнении им полости штампа. Возможность вытекания металла в заусенец позволяет снизить требования к точности размеров заготовок, а также облегчает деформирование. Вследствие чего удельные усилия, при открытой штамповке меньше, чем при закрытой.

 

Рис. 32. Схемы холодной формовки

 

При закрытой штамповке объем заготовки должен быть точно равен объему поковки. Это дает экономию металла, уменьшает последующую обработку деталей, прочность которых выше, чем при открытой штамповке вследствие устранения перерезания волокон, неизбежного при обрезке заусенца. Однако закрытую штамповку применяют реже, чем открытую, из-за большей стоимости заготовок точного объема, потребности в более мощном оборудовании и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах штампуют в основном детали из цветных металлов.

Холодной формовкой изготовляют пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Детали обычно получают за несколько переходов, последовательно изменяющих форму заготовки, с промежуточным отжигом для снятия наклепа.

Холодной объемной штамповкой получают готовые детали или близкие к ним заготовки, требующие минимальной обработки резанием. В массовом и крупносерийном производствах следует шире применять холодную штамповку, заменяя, ею обработку резанием, или комбинировать эти методы изготовления. При холодной штамповке коэффициент использования металла достигает 95%, вместо 30÷40% при обработке резанием. Трудоемкость изготовления болтов на холодновысадочных автоматах в 200÷400 раз меньше, чем на токарно-револьверных станках. Внедрение холодной объемной штамповки приводит к устранению операций предварительной обработки резанием, связанных с большими потерями металла в стружку и к возрастанию роли точных, отделочных методов (точению, шлифованию и др.). Отмечается также более высокое качество штампованных деталей по сравнению с качеством деталей, полученных обработкой резанием. В зависимости от степени деформации у среднеуглеродистых сталей прочность штампованных деталей увеличивается на 30÷120% по сравнению с прочностью деталей, полученных обработкой резанием, что в некоторых случаях позволяет отказаться от термообработки и использовать более дешевые исходные материалы: углеродистую или малолегированную сталь, вместо термически обработанной, высоколегированной, дорогостоящей стали. Деформируя различные участки заготовки с разными степенями деформации, можно целенаправленно управлять распределением механических характеристик в детали.

При холодном деформировании устраняется совсем или частично пористость металла, формируется благоприятно ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках. Это позволяет конструкторам уменьшать размеры деталей и их металлоемкость, по сравнению с полученными обработкой резанием, не снижая при этом их надежность.

Холодной объемной штамповкой можно получать цельные детали из одной заготовки (например, зубчатые колеса и кулачки за одно целое с валом) взамен деталей, которые раньше собирали сваркой, клепкой и т. п. из двух или более частей. Это не только исключает расходы на сборку, удешевляет продукцию, но и улучшает ее качество, так как цельные детали прочнее и точнее, чем собранные из отдельных частей. Однако для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что позволяет применять ее только в массовом и крупносерийном производствах.

 

Листовая штамповка

 

Листовую штамповку выполняют на прессах различных конструкций, часто оснащенных средствами механизации и автоматизации. Процессы листовой штамповки состоят из выполняемых в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам (листу, полосе, ленте, трубе) придают форму и размеры деталей.

 

Разделительные операции

Разделительные операции (резка, вырубка, пробивка) сопровождаются разрушением металла по определенным поверхностям (рис. 33).

Резка это – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных ножницах (рис. 33, а) или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операцию для разделения листов 3,подаваемых до упора, на полосы и заготовки нужных размеров В X L для последующей штамповки. Качество поверхности среза обеспечивают необходимая величина зазора г между режущими кромками, которая составляет (0,03÷0,05) S, где S – толщина листа, и хорошая заточка режущих кромок ножей 2.

Вырубка и пробивка – отделение заготовки по замкнутому контуру в штампе (рис. 33, б). Вырубным пуансоном 7 оформляют наружный контур детали (например, шайбы 5) или заготовки для последующей штамповки; пробивным пуансоном 8 – внутренний контур (отверстие). При вырубке отделенная часть, проталкиваемая в матрицу 6,является деталью 5,а при пробивке, наоборот – отходом 9. Характер деформирования заготовки при вырубке и пробивке одинаков (рис.32, в). В начальный момент пуансон смещает часть заготовки в отверстие матрицы без разрушения металла. При определенной глубине внедрения режущих кромок (тем большей, чем больше пластичность металла) в заготовке возникают трещины, наклоненные к оси инструмента под углом 4÷6°. При правильно выбранной величине зазора, зависящей от толщины и механических характеристик металла, а также от сложности вырубаемых деталей, трещины образуют сравнительно гладкий срез (рис. 33, г). Он состоит из блестящего пояска (зона внедрениярежущих кромок) и наклонной шероховатой поверхности разрушения (зона прохождения трещин). При неправильном определенном зазоре образуется «рваный» срез, способствующий возможному разрушению вырубленной заготовки при ее последующем деформировании или при работе детали.

 

 

Рис. 33. Разделительные операции листовой штамповки

 

Вблизи поверхности среза образуется зона наклепанного металла, что затрудняет последующую штамповку вырубленных заготовок, а также повышает магнитные потери в электротехнической стали (особенно в высоких узких зубцах роторов электрических машин). При необходимости наклеп устраняют отжигом или наклепанный слой удаляют обработкой резанием.

Детали повышенной точности с чистым и перпендикулярным срезом получают чистовой вырубкой и пробивкой, сущность которой заключается в создании дополнительного сжатия заготовки прижимом 10 (рис. 33, д). При этом в зоне резания создается напряженное состояние объемного сжатия, скалывающие трещины не возникают и срез получается чистым по всей толщине заготовки. Чистовой вырубкой изготовляют плоские кулачки, зубчатые колеса, секторы, рейки, пластины постоянных магнитов и т. п. Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называют раскроем. Часть листовой заготовки, оставшаяся после вырубки, называется высечкой. Тип раскроя выбирают из условия наименьшего отхода металла в высечку (рис. 27, е). Оптимальные варианты находят с помощью ЭВМ. Прессы для вырубки и пробивки оснащают ЧПУ, обеспечивающим быстрое (до 100 отверстий в 1 мин при межцентровом расстоянии 250 мм) выполнение операций по заданной программе, устанавливающей расположение и форму отверстий, расстояние между ними. Автоматические инструментальные головки обеспечивают быструю замену инструмента.

Формоизменяющие операции

 

Формоизменяющие операции – гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка выполняются пластической деформацией металла без разрушения заготовок (рис. 34).

Гибка

 

Гибка – придание заготовке криволинейной формы или изменение кривизны заготовки. При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном (рис. 34, а): наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные к пуансону) сжимаются.

 

Рис. 34. Формоизменяющие операции

 

При снятии нагрузки растянутые слои заготовки упруго сжимаются, а сжатые растягиваются, что приводит к изменению угла гибки.Это нужно учитывать соответствующей поправкой на угол гибки.

 

Вытяжка

Вытяжка – образование полой детали из плоской или полой заготовки (рис. 34, б). Вырубленную заготовку диаметром D укладывают на плоскость матрицы 3 вручную или автоматическим подающим устройством. Пуансон 1 надавливает на заготовку, и она, смещаясь в отверстие матрицы 3,образует стенки вытянутой детали. Формоизменение при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки , который в зависимости от механических характеристик металла и условий вытяжки не должен превышать 1,8÷2,1. При D - d >(18÷20) S возможна потеря устойчивости фланца, образуются складки при вытяжке. Их предотвращают прижимом 2 фланца заготовки к матрице.

Детали с большим формоизменением заготовки получают за несколько операций вытяжки с постепенным уменьшением диаметра полой детали и увеличением его высоты (рис. 34, в). Промежуточный отжиг для устранения наклепа позволяет увеличить k_в до 1,4÷1,6. Опасность разрушения заготовок устраняют также скруглением кромок пуансонов и матриц r =(5÷10) S и применением правильно подобранных смазок для уменьшения сил трения между поверхностями заготовок и инструмента.

 

Отбортовка

 

Отбортовка – образование борта (горловины) вокруг отверстия в заготовке (рис. 34, г). Допустимое без разрушения формоизменение характеризуют коэффициентом отбортовки:

,

где: – диаметр отверстия в плоской заготовке. Коэффициент зависит от механических характеристик металла заготовки и ее относительной толщины (то есть отношение толщины к диаметру заготовки)и не превышает 1,2÷1,8. Наиболее производительна пробивка отверстий под отбортовку, но из-за наклепа и заусенцев уменьшается допустимое значение , поэтому лучше комбинировать пробивку g последующим рассверливанием отверстий. Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами и для образования уступов в деталях для нарезания резьбы, сварки или сборки, а также для увеличения жесткости конструкции при малой ее массе.

 

Обжим

Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки производится заталкиванием заготовки в сужающуюся полость матрицы (рис. 34, д). За один переход можно получить d =(0,7÷0,8) D_3ar. Для большего формоизменения делают несколько последовательных операций обжима.

Раздача

 

Раздача – увеличение периметра поперечного сечения заготовки коническим пуансоном (операция, противоположная обжиму). Рельефная формовка – местное деформирование заготовки для образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки (рис. 34, е). Формовкой получают выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п. в металлических штампах. Иногда пуансоном или матрицей служит эластичная среда, например, резиновая подушка.

Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции (вырубные, гибочные, вытяжные и т. д.). В зависимости от числа выполняемых операций различают одно– и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, то есть операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа (рис. 34 б), и совмещенного действия, то есть операции выполняются на одной позиции.

Для массового и крупносерийного производства целесообразно применять сложные и совершенные штампы. Для штамповки небольшого числа деталей (мелкосерийное производство) сложные и дорогостоящие штампы применять нерационально. В таких случаях применяют упрощенные и быстропереналаживаемые штампы. При штамповке эластичными средами только один рабочий элемент (пуансон или матрицу) изготовляют из металла. Другим рабочим элементом служит эластичная среда: резина, пластмасса (полиуретан) или жидкость. Для высокоскоростной штамповки – взрывом, электрогидравлическим ударом или электромагнитным полем не требуется дорогостоящего прессового оборудования, штампы просты по конструкции. Импульсным приложением нагрузки разгоняют заготовку до больших скоростей, достигающих 150 м/с, накопленная заготовкой, кинетическая энергия расходуется на ее деформирование матрицей или пуансоном. Процесс штамповки длится тысячные доли секунды.

Горячая объемная штамповка

Горячая объемная штамповка – это формообразование деталей (поковок) принудительным перераспределением металла нагретой заготовки в штампе. Это дешевый и производительный процесс обработки, широко распространенный в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. При горячем деформировании в штампах получают наибольшее преобразование формы заготовок с наименьшими затратами энергии. Однако при нагреве заготовок перед штамповкой на их поверхности образуется слой окалины. Наличие окалины снижает качество поверхности и точность размеров поковок, что приводит к необходимости последующей обработки поковок резанием.

Горячую объемную штамповку, так же как и холодную формовку, производят в открытых и закрытых штампах (рис. 35). В открытых штампах получают поковки всех типов: удлиненной формы, штампуемые плашмя, и осесимметричной формы, штампуемые в торец. В закрытых штампах получают преимущественно осесимметричные поковки. Всестороннее неравномерное сжатие при больших сжимающих напряжениях, чем при открытой штамповке, позволяет осуществлять большие степени деформации и штамповать низкопластичные сплавы без отхода металла в заусенец. Качество поковок выше вследствие лучшего, более равномерного расположения волокон, отсутствия концентрации деформаций и перерезанных волокон в зоне заусенца (рис. 35, б). Однако пониженная стойкость штампов и потребность в более дорогих заготовках точного объема ограничивают применение прогрессивных процессов закрытой штамповки. Поковки простой конфигурации штампуют из прокатанных заготовок постоянного профиля в штампах с одной полостью – одноручьевых штампах. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине (высоте) и с изогнутой осью нельзя штамповать из заготовок постоянного профиля в одноручьевых штампах из-за незаполнения штампа или недопустимо большого отхода металла в заусенец. В таких случаях форму заготовки постепенно приближают к форме поковки в мноrоручьевых штампах, имеющих заготовительные и штамповочные ручьи

Рис. 35. Схемы процессов и расположение волокон в поковках при штамповке:

а – в открытых штампах; б – в закрытых штампах

 

В заготовительных ручьях получают фасонную заготовку – полуфабрикат для штамповки в предварительном (черновом), а затем в окончательном (чистовом) штамповочном ручье. В предварительном ручье завершают основное формообразование поковки, чтобы снизить износ окончательного ручья. В окончательном ручье получают готовую поковку заданных размеров. В нем развиваются наибольшие усилия штамповки и его располагают в центре штампа, чтобы избежать больших эксцентричных нагрузок на штамповочную машину.

Те или иные ручьи и различные их комбинации применяют в зависимости от конфигурации и размеров поковки, а также от требуемого направления волокон металла, которое обеспечивает соответственно направленное течение металла в ручьях штампа. Независимо от вида штамповочного оборудования процесс получения поковок состоит из следующих основных этапов: подготовки заготовок, оформления поковок в штампах и отделочных операций. Нагрев заготовок перед штамповкой в значительной степени определяет качество, производительность и стоимость продукции. Заготовки должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры (для среднеуглеродистой стали до 1200⁰С), чтобы можно было избежать температурных напряжений и трещин. При превышении температуры нагрева происходит перегрев – интенсивный рост зерен, ухудшение качества металла. Перегрев можно устранить при последующем деформировании металла или термообработкой. При дальнейшем повышении температуры (для стали свыше 1350⁰C) возникает пережог – неисправимый брак, заключающийся в окислении и расплавлении границ зерен с пол­ной потерей