Проектирование заготовок обработкой

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ОБРАБОТКОЙ

МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ОМД) [1,4,22]

 

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. 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 Т > Т_рек называется горячей обработкой давлением, обработка при Т < Т_рек называется холодной.

Т_рек= α∙Т_пл,

где Т_пл – 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.

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:

,

где М_д, М_пр, М_ш – соответственно масса детали, масса заготовки из проката и масса штампованной заготовки.

Если указанное соотношение не выполняется, целесообразно применять штампованную заготовку. В табл. 4.1 приведены основные стандарты на сортаменты сортового проката, проката из цветных металлов и сплавов и продукцию прессования.

Таблица 4.1

Основные стандарты на продукцию проката

Наименование проката	Номер ГОСТа*^1
Сортовой круглый горячекатаный стальной	2590-06
Сортовой круглый калиброванный	7417-75
Сортовой квадратный горячекатаный	2591-88
Сортовой шестигранный горячекатаный	2879-88
Полосовой горячекатаный	103-76
Квадратный калиброванный	8559-75
Шестигранный калиброванный	8560-78
Трубный горячекатаный	8732-78
Трубный холоднокатаный и холоднотянутый	8734-75
Тонколистовой горячекатаный	19903-74
Тонколистовой холоднокатаный	19904-90
Поперечно-винтовой	8320-83
Листы латунные	931-90
Листы из алюминия и алюминиевых сплавов	21631-76
Прутки бронзовые круглые прессованные	1628-78
Прутки латунные круглые, квадратные, шестигранные	2060-73
Прутки из алюминия и алюминиевых сплавов круглые, квадратные, шестигранные прессованные	21488-76

*1 – две последние цифры номера ГОСТов могут быть изменены при пересмотре стандартов.

Преимущества технологии гидроабразивной резки: Универсальность. Возможность использования одной и той же установки для резки широкого спектра материалов, без смены или переналадки режущего инструмента. Диапазон толщин разрезаемых материалов от 0,1 до 300 мм.

Низкая температура в зоне реза 60-90ºС. Образующееся в процессе резания тепло практически сразу уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры заготовки, что обеспечивает по сути «холодный» рез всех материалов. Это позволяет при использовании гидроабразивной технологии: исключить оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне;

• исключить выгорание легирующих элементов в легированных сталях и сплавах;
• исключить появление разрывов в структуре материала и ухудшение первоначальных свойств материала;
• исключить температурную деформацию заготовки;
• исключить необходимость дополнительной механической обработки поверхности реза заготовки, вследствие чего повысить производительность и уменьшить себестоимость изготовления деталей.

Экономичность процесса

• сокращения количества либо полного исключения сопутствующих технологических операций (предварительное сверление отверстий, смена или переналадка режущего инструмента, последующая механическая обработка детали);
• экономии времени на механическое закрепление заготовки на координатном столе;
• уменьшения времени холостого хода режущей головки, вследствие возможности резки тонколистовых материалов в многослойном пакете.

Кроме всего вышеперечисленного, использование гидроабразивной технологии позволяет значительно уменьшить потери материала при резке, как за счет малой ширины реза, так и за счет сокращения припусков на дополнительную мехобработку.

На скорость реза влияют следующие технологические параметры установки: диаметр водяного сопла; диаметр и длины смесительной трубки; тип и размеры используемого абразивного материала; расстояние от конца смесительной трубки до поверхности материала; степень изношенности сопла и смесительной трубки.

Ориентировочные скорости резки (мм/мин) для различных материалов и их толщин приведены в табл.1.

Таблица 1

Ориентировочные скорости резки V, мм/мин для различных материалов и их толщин
Материал	Толщина S, мм
Мрамор
Гранит
Стекло
Алюминий
Титан
Нерж. сталь
Стеклопластик
Углепластик

Лазерная резка. Лазерная резка является одним из высокотехнологичных методов раскроя различных листовых материалов. Принцип данной технологии: лазерный луч, собираясь на поверхности обрабатываемого материала, нагревает его до тех пор, пока тот не начнет испаряться. Мощность лазерного луча регулируется в зависимости от разрезаемого материала. Главным недостатком лазерной резки является то, что лазер не может использоваться для резки металлов толщиной более 2 см.

Плазменная резка. Технология плазменной резки основана на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия. Сущность процесса плазменной резки заключается в локальном расплавлении и выдувании расплавленного материала из полости реза. Одной из главных характеристик плазменной резки является максимальная толщина разрезаемого материала. В технических характеристиках оборудования плазменной резки эта величина обычно приводится для углеродистой стали. На толщину разрезаемого материала существенно влияет теплопроводность. Поэтому, например, для меди, максимальная толщина разрезаемого металла снижается примерно на 30% по сравнению с указанными рабочими толщинами. Плазменная резка имеет еще одну важную характеристику - скорость резки, которая оказывает существенное влияние на качество. При пониженной скорости плазмообразующий газ расходуется нерационально, что приводит к образованию шлака на нижней стороне обрабатываемого материала. При повышенной скорости плазменной резки дуга осциллирует, из-за чего линия реза получается волнистой. При этом также образуется шлак, отделение которого затруднено.

Сравнение технологий резки

При сравнении технологии гидроабразивной резки с альтернативными методами резки (лазерной и плазменной), самым очевидным преимуществом оказывается универсальность технологии. Ниже приводится сравнение метода гидроабразивной резки с альтернативными методами обработки листовых материалов.

ДОСТОИНСТВА

	Гидроабразивная резка 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, за счёт уменьшения холостых ходов режущей головки экологическая чистота и полное отсутствие вредных газовыделений полная пожаро- и взрывобезопасность процесса
	Плазменная резка относительно низкая стоимость оборудования относительно высокая скорость разделительной резки малых и средних толщин при увеличенных допусках автоматизация процесса резки
	Лазерная резка высокая скорость резки тонких стальных листов (до 6 мм) не отражающих свет автоматизация процесса резки

НЕДОСТАТКИ

	Гидроабразивная резка Недостаточно высокая скорость реза тонколистовой стали Ограниченный ресурс отдельных комплектующих НВД и режущей головки Одноразовое использование абразивного материала.
	Плазменная резка Ограничение перечня подвергающихся резке материалов токопроводящими материалами Низкая точность реза криволинейных поверхностей Обгорание и оплавление кромок. Появление напряжения и микротрещин, а также структурных изменений в обрабатываемых материалах. Необходимость дополнительной механической обработки. Высокая стоимость эксплуатации установок при резке материалов толщиной свыше 25 мм и легированных сталей. Неблагоприятное воздействие на экологию вследствие выделения вредных газов и испарений в процессе резки. Требуется дополнительные затраты на приобретение мощной вытяжной вентиляции Взрыво-пожаро опасность процесса
	Лазерная резка Высокая стоимость оборудования Термическое воздействие на материал в зоне реза со всеми вытекающими неблагоприятными последствиями. Ограничение перечня и диапазона толщин подвергающихся резке материалов Невозможность резки светоотражающих или светопропускающих материалов Высокий расход энергии Высокая стоимость обслуживания и ремонта Выделение вредных газов и испарений в процессе резки

По скорости резки

Место	Вид резки	Стоимость оборудования
1 место	лазерная резка	600.000 – 800.000?
2 место	гидроабразивная резка	180.000 – 200.000?
3 место	плазменная резка	160.000 – 180.000?

По качеству реза:
1 место – гидроабразивная резка; 2 место – лазерная резка; 3 место – плазменная резка.
Лазерная и плазменная резка:
" - " термическая закалка кромок, дополнительная механическая обработка, оплавление кромок;
" + " высокая скорость резки, невысокая стоимость расходных материалов (газ).
Дополнительно: при плазменной резке получается высокое качество реза черных сталей и очень низкое качество реза цветных сплавов и нержавеющих сталей.
Гидроабразивная резка:
"-" высокая стоимость расходных материалов (гранатовый абразив - garnet), постоянный приток питьевой воды, теплое помещение;
"+ " кромки материала не оплавляются и не окаливаются, высокая чистота обработки (не требуется дополнительная механическая обработка).

4.3.2. СВОБОДНАЯ КОВКА [1,5,6,7]

Ковкой называют процесс горячей обработки металлов, осуществляемый путем многократного последовательного деформирования нагретой заготовки с помощью универсального подкладного инструмента. Ковку подразделяют на ручную и машинную.

При ручной ковке используют кувалды и наковальни с набором инструментов. Ручную ковку применяют при изготовлении мелких поковок массой до 8 кг при выполнении ремонтных работ. Машинная ковка является основным видом ковки, её осуществляют на пневматических молотах и гидравлических прессах.

Операции ковки. К основным операциям машинной ковки относят осадку, протяжку, прошивку, пробивку, гибку, скручивание, отрубку.

Осадка – кузнечная операция, заключающаяся в увеличении площади поперечного сечения заготовки за счет уменьшения её высоты. Деформация при осадке может быть выражена величиной уковки: y = F₁/F₂, где F₁ – большая площадь поперечного сечения; F₂ – 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.

Если мощность молота достаточно для осадки, то на этом оборудовании можно осуществить все остальные кузнечные операции ковки. Выбор молота производят по величине работы деформации за последний удар. Для определения массы подвижных частей молота G (кг) рекомендуется формула [5,6,4]:

где D и H – средние диаметр и высота заготовки после осадки, м; Ϭ_в – предел прочности деформируемого металла при температуре окончания ковки, МПа; ε – относительная деформация за последний удар (ε = 0,025…0,06), для мелких поковок ε = 0,06; V_п – объём поковки, см³.

Из условия равенства объёмов исходной заготовки и поковки средний диаметр поковки после осадки определяется выражением:

,

где D_з и H_з – диаметр и высота исходной заготовки.

Выбор пресса производят в зависимости от усилия осадки Р (МН):

,

где F – площадь поперечного сечения поковки после осадки, м²; - масштабный коэффициент: для мелких поковок = 1, для слитков = 0,4…0,5; Ϭ_в – предел прочности деформируемого металла при температуре окончания ковки, МПа;

Параметры пневматических ковочных молотов приведены в таблице.

Таблица

Основные параметры пневматических ковочных молотов (ГОСТ 712-82)

Параметр	Масса падающих частей, кг
Энергия удара, кДж, не менее	0,8	1,4	3,15	5,6
Число ударов в минуту
Высота рабочей зоны, мм
Размеры зеркала бойков, мм:
длина
ширина
Масса фасонных поковок, кг:
средняя	0,3	1,5	2,5
наибольшая	1,2

Молоты ковочные пневматические предназначены для изготовления ковкой поковок малой массы из прокатных исходных заготовок; они допускают также ковку в подкладных штампах. Для поковок большей массы (60…1300 кг) применяют ковочные паровоздушные молоты двойного действия (ГОСТ 9752-75) [6, т.1].

Ковочные гидравлические прессы усилием (2…31,5) МН предназна-чены для изготовления ковкой поковок преимущественно из слитков. Основные параметры ковочных гидравлических прессов приведены в ГОСТ 7284-80Е [6, т.1].

Протяжка – основная формообразующая операция при ковке гладких, ступенчатых и коленчатых валов, заключающаяся в удлинении части заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. При протягивании последовательно деформируют отдельные участки заготовки с кантовкой вокруг оси и подачей вдоль неё. Разновидности протяжки: плоскими бойками (а, б); вырезными бойками (в); разгонка (г) – увеличение ширины части заготовки за счет уменьшения её толщины; протяжка с оправкой (д); раскатка на оправке (е).

Прошивка – кузнечная опера-ция, с помощью которой в заго-товке получают глухую полость. Пробивка – про-цесс образоания в заготовке сквозного отвер-стия с удалением металла в отход путем сдвига. Операция осуществляется специальным инструментом – прошивнем, дорном, пуансоном. Основными способами образования отверстий являются прошивка сплошным прошивнем с последующей пробивкой, прошивка полым прошивнем и пробивка на подкладном кольце.

Гибка – операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру (а). Скручивание – операция поворота части заготовки вокруг продольной оси (б). При изготовлении небольших партий поковок простой формы применяют ковку в подкладных штампах (в). Подкладные штампы не закрепляют в рабочем пространстве оборудования, они имеют один ручей.

Длину исходной заготовки при гибке определяют следующим образом. Если внутренний радиус заготовки после гибки больше половины толщина заготовки (r > a/2), то искажением формы заготовки пренебрегают, считая, что нейтральная линия проходит по средней линии заготовки. Длину изогнутого участка в этом случае определяют как длину дуги радиусом (r + a/2):

где α- центральный угол изгиба, град.

Если r ≤ a/2, то следует учесть растяжение заготовки при гибке. В этом случае принимают, что нейтральная ось смещается в сторону сжатого участка на величину, равную 1/6 толщины заготовки. Длину изогнутого участка определяют как длину дуги радиусом (r + a/3):

Разработка технологического процесса ковки. Основными этапами разработки технологического процесса являются:

1. составление чертежа поковки с назначением припусков, допусков и напусков и определение массы поковки;

2. определение массы и размеров заготовки, установление необходимой уковки и выбор проката или слитка на заготовку;

3. выбор кузнечных операций и их последовательности, основного и вспомогательного инструмента и приспособлений;

4. выбор кузнечного оборудования необходимой мощности и габаритных размеров;

5. установление режимов нагрева и охлаждения поковки, типов и размеров нагревательных устройств;

6. определение состава обслуживающего персонала и норм времени на ковку;

7. разработка мероприятий по организации рабочего места и охране труда.

Проектирование кованой заготовки. Чертеж поковки составляют на основании чертежа детали. Поковкам придают простую форму, ограниченную плоскими или цилиндрическими поверхностями; оценивают возможность и целесообразность изготовления уступов и выемок: выемки выполняют в том случае, если их длина равна или больше ширины бойков молота, в противном случае назначают напуски.

Припуски на обработку и допуски на ковку, а также условия образования уступов, выемок, фланцев и буртов для поковок из углеродистой и легированной стали круглого или квадратного сечения регламентированы ГОСТ 7829-70 при ковке на молотах и ГОСТ 7062-79 при ковке на прессах.

Сначала назначают основные припуски и предельные отклонения на диаметры, общую длину и размеры от базового сечения до соответствующих выступов уступов и впадин. За базовое сечение принимают торец участка с наибольшим диаметром, не являющийся торцом поковки. Затем для компенсации несоосности ступеней на диаметры всех сечений, кроме основного, назначают дополнительный припуск в зависимости от разности диаметров основного и рассматриваемого сечения детали.

Чертеж поковки выполняется в том же масштабе, что и чертеж детали. Контур детали наносится тонкой штрихпунктирной линией с двумя точками. После оценки возможности выполнения уступов и выемок наносят напуски на соответствующие поверхности. Установив припуски, определяют номинальные размеры поковки, которые проставляют с указанием предельных отклонений.

Номинальный (расчетный) размер поковки Н_п = Н_д + Z₀, где Z₀ – номинальный припуск на размер детали Н_д из расчета механической обработки поковки с двух сторон. При односторонней обработке поковки величину припуска принимают с коэффициентом 0,5 от табличного значения.

На чертеже всегда проставляется общая длина поковки. Длину элемента, который куют последним, определяю расчетом. Размеры поковок типа вала с уступами проставляют от базового сечения. Выше размерной линии указывают размеры, относящиеся к поковке; под размерной линией допускается указывать в круглых скобках размеры детали.

В технических требованиях чертежа отражают следующие сведения: допустимые отклонения формы и размеров поковки, не указанные на чертеже; виды, размеры и количество допускаемых дефектов; вид термообработки» твердость заготовки, способ и место её замера; место и условия отбора технологических проб.

Определение массы и размеров исходной заготовки. Основным признаком для выбора проката или слитка в качестве исходной заготовки является масса поковки и марка сплава. Для поковок из углеродистой стали массой до 700…800 кг в качестве исходных используют заготовки из проката. Применяя любую CAD-программу, по номинальным размерам поковки выполняют её трехмерную модель, задают марку материала и определяют МЦХ модели. Масса исходной заготовки при ковке из проката определяется выражением:

где М_п- масса поковки из МЦХ по 3D модели, кг; М_у – масса угара, кг; М_обр – масса отхода на обрубку, кг.

Массу угара принимают 2,5% массы нагреваемого металла М_у = 0,025(М_п + М_обр), масса отхода на обрубку при ковке на молотах М_обр = 0,23D³∙γ. При ковке из проката уковка «у» составляет y ≥ 1,25; примем y = 1,5. Тогда ; отсюда диаметр исходной заготовки из проката ; длина исходной заготовки , где γ –плотность материала заготовки.

Технологические возможности способов ОМД приведены в таблице.

Таблица

Технологические возможности способов ОМД [4]

Способы ОМД	Тип произ-водства	Квали-тет точно-сти	Шерохо-ватость Rz, Ra, мкм	Припуск на сторону, мм	КВТ	ГОСТ
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
ГОШ на молотах	МС, С	15-17	320-40	0,75-4,25	0,44-0,8	7505-89
ГОШ на прессах	С, КС, М	13-17	160-20	0,5-3,0	0,5-0,8	7505-89
ГОШ на ГКМ	С, КС, М	13-17	160-20	1,5-3,25	0,55-0,8	7505-89
ГОШ+калиб-ровка	КС, М	11-15	32-10	0-0,4	0,6-0,85	7505-89
Штамповка выдавлива-нием 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
ХОШ	КС, М	8-14	Ra 10-6,3	0-0,5	0,85-0,95	-
Листовая штамповка	МС, С	8-10	-	-	0,95	-
Холодная высадка	КС, М	8-11	Ra 3,2-0,32	-	0,95	-

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК ОБРАБОТКОЙ

МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ОМД) [1,4,22]

 

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. 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 Т > Т_рек называется горячей обработкой давлением, обработка при Т < Т_рек называется холодной.

Т_рек= α∙Т_пл,

где Т_пл – 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.