Ротационные способы изготовления поковок.

 

  В основе этих способов лежит процесс ротационного обжатия при вращении инструмента или заготовки. При обкатывании инструментом заготовки очаг деформации имеет локальный характер и постоянно перемещается по заготовке, вследствие чего сила, действующая на инструмент, меньше, чем при штамповке. Это позволяет изготовлять поковки большой массы (например, заготовки вагонных осей) с высокой точностью, так как упругие деформации при меньших силах меньше.

Штамповка на ковочных вальцах   напоминает продольную прокатку в одной рабочей клети, на двух валках которой закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи (рис.34. а).

 

Рис. 34. Схема действия вальцов (а), ротационно-ковачной машины (б).

 

Нагретую заготовку 1 подают до упора 2 в тот момент, когда секторные штампы 3 расходятся. При повороте валков происходят захват заготовки и обжатие её по форме полости; одновременно с обжатием заготовка выталкивается в сторону подачи.

На вальцах изготовляют поковки сравнительно несложной конфигурации – типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т.п.

Штамповка на ротационно- ковочных машинах подобна операции протяжки и заключается в местном обжатии заготовки по её периметру. Заготовку 1 (рис.34, б) в виде прутка или трубы помещают в отверстие между бойками 7, находящимися в шпинделе 6 машины.

Бойки могут свободно скользить в радиально расположенных пазах шпинделя. При вращении шпинделя ролики 5, помещённые в обойме 4, толкают бойки 7, которые наносят удары по заготовке. В исходное положение бойки возврощаются под действием центробежных сил. В машинах этого типа получают поковки, имеющие форму тел вращения.

Типовыми поковками, изготовляемыми радиальным обжатием, являются различного рода ступенчатые цилиндрические или конические валики, трубы с оттянутыми на конус концами и т.п.

Поперчно-клиновой прокаткой (рис. 35, а) получают заготовки валов и осей (рис. 35, б) диаметром до 100 мм и длиной до 700 мм. Заготовка 2 из круглого прокатанного прутка, после нагрева автоматически перемещается в рабочую зону клиньев 1 в их исходном положении. Клиновой инструмент, закреплённый в подвижной салазке стана, совершает прямолинейное движение, и заготовка прокатывается между двумя клиновыми плитами 1 (рис.35, а).

Раскатка кольцевых заготовок на раскаточных машинах получила особенно большое распространение при производстве колец подшипников (рис.35, в, г). При подведении к заготовке 1, надетый на валок 2, быстро вращающегося валка 3 заготовка и валок 2 начинают вращаться. При дальнейшем сближении валков 2 и 3 увеличивается наружный диаметр заготовки за счёт уменьшения толщины и происходит её контакт с направляющим роликом 4, обеспечивающим получение правильной кольцевой формы поковки. После касания поковкой контрольного ролика 5 раскатка прекращается.

Раскаткой получают поковки колец с поперечными сечениями различной формы (зависящими от профиля валков), наружным диаметром 70 – 700 мм и шириной 20 – 180 мм.

Рис.35. Схема поперечно-клиновой прокатки и раскатки

 

Горячая накатка зубчатых колёс (рис.36) находит применение, в частности, в автомобильной и тракторной промышленности. Сущность процесса заключается в обкатке нагретой штучной или прутковой заготовки в зубчатых валках.

Поверхностный слой цилиндрической заготовки 1 нагревается током повышенной частоты с помощью индукторов 2. Благодаря радиальному усилию зубчатый валок 4, постепенно вдавливаясь в заготовку 1, формует на ней зубья. Ролик 3, свободно вращаясь на валу, обкатывает зубья по наружной поверхности. После прокатки прутковой заготовки её разрезают на отдельные шестерни.

 

Рис.36. Схема горячей накатки зубьев зубчатого колеса

 

Изготовление зубчатых колёс методом горячего накатывания повышает износостойкость и усталостную прочность зубьев на 30 – 50 %. Это объясняется, в частности, благоприятной макроструктурой, при которой волокна обтекают контуры зубьев. Расход металла на 18 – 40 % меньше, чем при получении зубьев на зубонарезных станках, а производительность полуавтомата для накатки выше производительности зубонарезного оборудования.

Накатка резьбы по сравнению с её получением методами резания позволяет существенно повысить производительность труда, сократить потери металла, увеличить прочность резьбовых соединений. Наибольшее применение накатка резьбы получила в серийном и массовом производствах, где используют резьбонакатные станки и автоматы для производства винтов, болтов, гаек.

 

Рис. 37. Схема накатывание резьбы

 

Плашки 1, 3 (рис.37, а) имеют на рабочей поверхности продольные канавки и выступы, соответствующие профилю резьбы. Угол наклона канавок равен углу подъёма винтовой линии резьбы. Одна из плашек, 3, совершает возвратно-поступательное движение, что приводит во вращение заготовку 2. Резьба накатывается за один двойной ход подвижной плашки. Недостатком таких машин является большие динамические нагрузки при реверсировании привода, поэтому накатка роликами получила большее распространение.

Резьбонакатные ролики 4, 5 (рис.37, б) с наружным резьбовым профилем вращаются в одном направлении. Один из роликов, 5, имеет поступательное движение к заготовке 2, что определяет глубину вдавливания инструмента в металл и высоту профиля резьбы.

 

Структура технологического процесса горячей объёмной штамповки состоит обычно из следующих этапов:

· отрезки проката на мерные заготовки;

· нагрева;

· штамповки;

· обрезки облоя и пробивки плёнок;

· правки;

· термической обработки;

· очистки поковок от окалины;

· калибровки;

· контроля готовых поковок.

Калибровка поковок повышает точность размеров всей поковки или её отдельных участков. Таким образом, последующая механическая обработка устраняется полностью или ограничивается только шлифованием. Различают плоскостную и объёмную калибровку.

Плоскостная калибровка служит для получения точных вертикальных размеров на одном или нескольких участках поковки, ограниченных горизонтальными плоскостями (рис.38, б). При плоскостной калибровке поковку правят в холодном состоянии на кривошипно-коленных прессах (рис.38, а). Механизм кривошипно-коленного пресса обеспечивает получение больших усилий на ползуне 2 при сравнительно малом ходе и вращающем моменте на валу 1.

 

Рис.38. Кинематическая схема кривошипно-коленчатого пресса (а) и схема плоскостной (б) и объёмной (в) калибровки

Поскольку калибруют с небольшой степенью деформации (менее 5…10 %), необходимо заранее при штамповке предусматривать припуск на калибровку. Причём с увеличением припуска точность размеров после калибровки уменьшается, а качество поверхности улучшается. Обычная точность после калибровки составляет ± (0,1…0,25) мм, а допуск при калибровке с повышенной точностью в 2 раза меньше.

Объёмной калибровкой (рис.38, в) повышают точность размеров поковки в разных направлениях и улучшают качество её поверхности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими конфигурации поковки.

При контроле готовых поковок их осматривают, выборочно измеряют геометрические размеры, твёрдость. Размеры контролируют универсальными измерительными инструментами ( штангенциркулями, штангенглубиномерами, и др.) и специальными инструментами ( скобами, шаблонами и контрольными приспособлениями ). Несколько поковок из партии иногда подвергают металлографическому анализу и механическим испытаниям. Внутренние дефекты в поковках определяют ультразвуковым методом контроля и рентгеновским просвечиванием.

Холодная штамповка

Сущность процесса. Обычно под холодной штамповкой понимают штамповку без предварительного нагрева заготовки. Холодную штамповку можно подразделить на:

· объёмную штамповку (сортового металла);

· листовую штамповку (листового металла).

 

 

Рис.39. Штамп для холодной штамповки листового металла

 

Такое подразделение целесообразно потому, что характер деформирования, применяемые операции и конструкции штампов для объёмной и листовой штамповки значительно различаются между собой.

Объёмная штамповка. Основные разновидности холодной объёмной штамповки:

· холодное выдавливание (рис.40);

· холодная высадка;

· холодная объёмная формовка.

 

Рис. 40. Схемы выдавливания

а) – прямое выдавливание; б) – выдавливание металла в кольцевую щель между стержнем и отверстием матрицы; в) – обратное выдавливание; г) – обратное выдавливание металла в отверстие в пуансоне; д) – боковое выдавливание; д) – комбинированное выдавливание

 

При холодном выдавливании заготовку помещают в полость, из которой металл выдавливают в отверстия, имеющиеся в рабочем инструменте. Основной положительной особенностью выдавливания является возможность получения без разрушения заготовки весьма больших степеней деформации. Основные технологические мероприятия, направленные на снижение удельных усилий выдавливания, - применение различных смазывающих материалов или покрытий заготовок для уменьшения сил трения.

Холодная высадка (рис.41) выполняется на специальных холодновысадочных автоматах. Штампуют от прутка или проволоки. Штамповкой на холодновысадочных автоматах обеспечиваются достаточно высокая точность размеров и хорошее качество поверхности, вследствие чего некоторые детали не требуют последующей обработки резанием (винты, болты, шпильки). Высокая производительность: 20 – 400 деталей в минуту; только 5% металла идёт в отходы.

 

Рис. 41. Последовательность переходов изготовления деталей на холодновысадочных автоматах:

а – винта; б - колпачка

Холодная объёмная формовка в открытых штампах заключается в придании заготовке формы детали путём заполнения полости штампа металлом заготовки. Этим способом можно изготовлять пространственные детали сложных форм (сплошные и с отверстиями).

Листовая штамповка. В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученный прокаткой лист, полосу или ленту, свёрнутую в рулон (толщина не более 10 мм). Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей граммов и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров. Этот метод штамповки широко применяют в различных отраслях промышленности – авто-, тракторо-, самолёто-, ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность и др.

При листовой штамповке чаще всего используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60% Сu, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др.

Операции листовой штамповки: отрезка, вырубка и пробивка, гибка, вытяжка без утонения стенки, вытяжка с утонением стенки, отбортовка, обжим.

Разделительные операции. Схемы основных разделительных операций металлоконструкций приведены на рис. 42. С их помощью осуществляются отрезка рулонного и листового проката на ленты и полосы, вырубка плоских деталей различной формы, получение заготовок для последующей штамповки пространственных пустотелых деталей и др.

Рис.42. Схемы основных разделительных операций металлопродукции:

а – отрезка; б, в – разрезка с отходом и без отхода; г – вырубка; д – надрезка; е – проколка; ж – пробивка; з – обрезка; и – зачистка; к – высечка; л – просечка;

1 – упор; 2 – пуансон; 3 – прижим; 4 – исходный металлопродукт (лист); 5 – матрица; 6 – полученный металлопродукт; 7 – отходы; 8 – выталкиватель; 9 – подкладная плита;

s – толщина обрабатываемой металлопродукции; → – направленное действие рабочего усилия; → – движение рабочих частей установки.

 

В себестоимости продукции листовой штамповки затраты на материал составляет 50…70 %, поэтому наиболее эффективным способом снижения себестоимости является экономия материала за счёт снижения массы его отходов.

Различают шесть видов раскроя деталей (или заготовок), область применение которых определяется формой и размерами штампуемых деталей (рис. 43).

 

Рис.43. Основные виды раскроя

 

При штамповке деталей простой геометрической формы (прямоугольной, овальной и т.п.) применяют прямой раскрой; при штамповке деталей Г – образной или другой сходной формы – раскрой наклонный; детали Т – и Ш – образной формы целесообразно штамповать с применением встречного раскроя; комбинированный раскрой применяют при штамповке деталей разной формы, но одинаковой толщины из одного и того же материала (мелкие детали располагаются в промежутках между деталями больших размеров). При штамповке деталей небольших размеров в крупносерийном и массовом производстве применяют многорядный раскрой. При изготовлении мелких и весьма узких деталей (например, стрелок часов) из мерной полосы или ленты применяют раскрой с вырезкой перемычек. Это единственный вид раскроя, когда преднамеренно повышается отход металла в целях увеличения площади поперечного сечении пуансона для пробивки окон (повышается стойкость пуансона).

Формоизменяющие операции. Схемы основных формоизменяющих операций показаны на рис. 44.

Рис. 44. Схемы основных формоизменяющих операций:

а – гибка; б – завивка; в – калибровка; д – вытяжка; е – вытяжка с утанением; ж – комбинированная вытяжка; з – отбортовка; и – раздача; к – обжим; л – рельефная формовка; м – закатка; н – чеканка (для примера число 11); о – скручивание; 

→ - направление действия силы; → - направления прижима.

 

Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения её линейных размеров (рис. 45, а).

 

                                           а)                                   б)

Рис. 45. Схема гибки (а) и изделия, получаемые при её использовании (б):

1 – нейтральный слой; 2 – пуансон; 3 - матрица

В процессе гибки пластическая деформация сосредотачивается на узком участке, контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие полки детали, деформируются упруго. В зоне пластических деформаций наружные слои растягиваются, а внутренние сжимаются. У середины заготовки (по толщине) находятся слои, деформация которых равна нулю. Из сказанного следует, что с достаточной степенью точности размеры заготовки для детали, получаемой гибкой, можно определить по условию равенства длин заготовки и детали по средней линии. Деформация растяжения наружного слоя и сжатия внутреннего увеличивается с уменьшением радиуса скругления рабочего торца пуансона. Деформация растяжения наружного слоя не беспредельна, и при определённой её величине может начаться разрушения заготовки с образованием трещин, идущих от наружной поверхности в толщу заготовки. Это обстоятельство ограничивает минимальные радиусы r_min, исключающие разрушение заготовки. В зависимости от пластичности материала заготовки r_min = (0,1…2) S.

При гибке в штампах можно одновременно изменять кривизну на нескольких участках по длине заготовки, оставляя другие участки прямолинейными, в некоторых случаях (получение втулок) пластические деформации при гибке могут охватывать всю заготовку.

На рис. 45, б показаны примеры деталей, полученных гибкой. Детали, изогнутые в нескольких плоскостях, обычно изготовляют последовательным деформированием заготовки в нескольких штампах. В этих случаях гибке может подвергаться пространственная заготовка, полученная на предыдущих переходах.

Вытяжка без утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вытягиваемой заготовки (рис.46).

 

Рис. 46. Схема первого перехода вытяжки (а), последующей вытяжки (б), вытяжки с утонением стенки (в):

1 – заготовка; 2 – изделие; 3 – прижим; 4 – пуансон; 5 – матрца; 6 – изделие со складками, образующимися при вытяжке без прижима

z – зазор, между поверхостями пуансона и матрицы; σ_ρ, σ_θ - напряжения растяжения и сжатия; r – радиус изгиба; s – толщина листа

 

Используя в определённой последовательности отдельные операции листовой штамповки, можно изготовлять разнообразные плоские и пространственные детали.

 

Штампы для листовой штамповки. В крупносерийном производстве (при изготовлении ольшого числа одинаковых деталей) применяют сравнительно сложные штампы, состоящие из значительного числа деталей и обеспечивающие хорошее качество изделия при высокой стойкости инструмента и достаточно высокую производительность. Существуют штампы для выполнения только одной операции и выполнения нескольких операций листовой штамповки за один ход пресса.

На рис. 47 приведена схема штампа последовательного действия, в котором операции выполняют в различных позициях по направлению подачи: в позиции I происходит пробивка, а после перемещения полосы на шаг подачи (позиция ΙI) – вырубка, в результате чего получают изделия в виде шайбы.

 

Рис. 47. Схема штампа последовательного действия для пробивки и вырубки

 

Пуансоны 2 и 3 закрепляют на верхней плите штампа, а матрицы 4 и 5 – на нижней. Точное направление пуансонов относительно матриц обеспечиваются направляющими втулками 7 и колонками 6, запрессованными в вехнюю и нижнею плиты штампа. Полосы или лента подаётся между направляющими линейками до упора 1, ограничивающего шаг подачи. Высечка снимается с пуансонов съёмником 8.

 

Рис.48. Штамп для листовой штамповки

 

Многооперационные штампы обычно дороже однооперационных, но позволяют повысить производительность труда и уменьшить число используемого для штамповки оборудования  (Рис.48).

Упрощённые способы обработки листового материала. В мелкосерийном производстве достаточно широко применяют упрощенные способы обработки давлением листовых заготовок: штамповку эластичными материалами, давильные работы, высокоскурастную штамповку и т. п.

 

При штампоке эластичными материалами только один рабочий элемент (пуансон или матреца) изготовляют из металла, роль другого инструмента (матрица или пуансон) выполняют резина, пластмассы (полиуретан) и жидкость.

 

Металлическим инструментом является шаблон, на который укладывают. Резиновая подушка в ползуне пресса прижимают заготовку к шаблону. Если шаблон имеет острые режущие кромки, то давлением резины вначале отгибают свобоные края заготовки, а затем её обрывают по режущей кромке. Так выполняют вырубку и пробивку. Подобным способом можно осуществлять гибку, неглубокую вытяжку, отбортовку и формовку. Обычно штампуют заготовки толщиной не более 3 мм.

Давильные работы предназначены для получения деталей, имеющих форму тел вращения. Схема давильных работ без утонения показана на рис.49, а. Предварительно вырубленную заготовку продольным суппортом прижимают к торцу формы-пуансона. Постепенное деформирование заготовки по всей поверхности позволяет придать заготовке форму пуансона. 

Рис. 49. Схема давильных работ:

а – без утонения; б – с утонением;

1 – форма; 2 – заготовка; 3 – упор; 4 – давильник

 

Давильные работы с утонением (рис. 49, б) изменяют форму заготовки главным образом за счёт уменьшения её толщины без изменения диаметральных размеров. Давильник, перемещаясь параллельно оси заготовки, утоняет её.

Высокоскоростная штамповка характеризуется тем, что кратковременное приложение больших усилий разгоняют заготовку до скоростей, достигающих 150 м/с; последующее её деформирование   происходит за счёт накопленной в период разгона кинетической энергии. Основные разновидности высокоскоростной листовой штамповки – штамповка взрывом, электрогидравлическая и электромагнитная.

Взрывом штампуют обычно в бассейне, наполненном водой (рис.50, а). Полость матрицы под заготовкой вакуумируется, чтобы воздух не препятствовал плотному её прилеганию к матрице.

Взрывной штамповкой с успехом получают пространственные детали. При штамповке взрывом не требуется дорогостоящего прессового оборудования, конструкция штампа крайне проста.

 

Рис. 50. Схема импульсных способов листовой штамповки:

а – штамповка взрывом; б – электромагнитная штамповка;

1 – заряд; 2 – уровень воды; 3 – заготовка; 4 – прижим; 5 – матрица; 6 – к вакуумному насосу; 7 – соленоид; 8 – пуансон

 

Электромагнитная штамповка по принципу создания импульсно воздействующих на заготовку сил отличается от ранее рассмотренных (рис. 50, б). электрическая энергия преобразуется в механическую за счёт импульсного разряда батареи конденсаторов через соленоид 7, вокруг которого при этом возникает мгновенное поле высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой токопроводящей заготовке 3. взаимодействие магнитных полей вихревых токов Ι_в с магнитным полем индуктора создаёт механические силы q, деформирующие заготовку. Для электромагнитной штамповки трубчатых и плоских заготовок созданы специальные установки, на которых можно проводить раздачу, обжим, формовку и операции по получению неразъёмных соединений деталей. К сборочным операциям, выполняемым путём пластического деформирования одной детали по контуру другой, относятся соединения концов труб, запрессовка в трубах колец, соединение втулки со стержнем и т. д.