Преимущества и недостатки горячей объемной штамповки

Процесс горячей объемной штамповки

Метод заключается в том, что при приложении высокого давления металл горячей болванки подвергается серии последовательных деформаций, и, не нарушая своей целостности, затекает в свободное пространство специально подготовленных штампов, повторяя их пространственную форму и приходя к заданным размерам. Выступы и впадины в соответствующих локальных областях штампа ограничивают и направляют движение металла, приближая с каждым проходом конфигурацию и габариты болванки к параметрам конечного изделия. При последнем рабочем проходе они формируют замкнутый единый ручей (полость), совпадающий с конфигурацией готового изделия.

Технологический процесс горячей объемной штамповки

Термин горячая объемная штамповка металла указывает на то, что габариты и геометрия заготовки меняются не в одном, а в двух или трех измерениях.

Горячая штамповка в качестве болванок использует круглый или прямоугольный прокат, а также горячекатаный лист. Горячая объемная штамповка проводится и прямо из прутка, если конфигурация детали не очень сложная и достаточно одного-двух проходов. Впоследствии отдельные детали отрубают от прутка.

По своей форме конечные поковки подразделяют на два основных класса:

• Дисковые: фланцы, крышки, ступицы, прочие круглые (прямоугольные) поковки с длиной, малой относительно диаметра. Здесь выбирают базовую технологическую схему осадки в торец исходной болванки.
• Удлиненные: рычаги, валы, шатуны и похожие на них по конфигурации детали. Болванка располагается на штампе плашмя, и в ходе нескольких черновых и штамповочных операций ей придают окончательную форму. До завершающего прохода исполняют формовку в ручьях и на вальцах.

По технологическим схемам активно применяются две наиболее употребительных:

• штамповка в закрытых штампах
• штамповка в открытых штампах

Горячая объемная штамповка в закрытых штампах осуществляется в штампе с небольшим зазором между его половинами. Подразумевается, что объемы заготовки и готового изделия совпадают. Эту оснастку снабжают двумя поверхностями разъединения, находящимися под некоторым углом. Схема используется в производстве сравнительно несложных по своей форме деталей и позволяет добиться наибольшей однородности внутреннего строения детали и меньшей шероховатости.

При применении схемы горячей объемной штамповки в открытых штампах нет точного соответствия объемов между заготовкой и конечным изделием, происходит активное перераспределение массы металла между частями поковки. Часть металла выдавливается за пределы штампа в специальную канавку и называется облоем. Схема позволяет штамповать детали практически любой конфигурации, поскольку позволяет проводить большое количество черновых и завершающих проходов с промежуточным кантованием болванки.

Горизонтально-ковочные машины

На горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) производят штамповку поковок без облоя и штамповочных уклонов в разъемных матрицах. При штамповке из прутка отпадает необходимость в предварительной разрезке последнего на мерные заготовки, так как штампы ГКМ имеют отрезной ручей. Машина имеет жесткую конструкцию, что увеличивает точность поковок.

Привод ГКМ (рис. 6) осуществляется от электродвигателя 9, который через клиноременную передачу 8 разгоняет маховик с фрикционной муфтой 10. Боковой ползун приводится в возвратно-поступательное движение кулачком 3, закрепленным на валу 4. При перемещении ползуна 2 система рычагов 1 приводит в движение зажимный ползун 17 с подвижной матрицей 16, которая прижимает заготовку 15 к неподвижной матрице 14 на период высадки пуансоном 12. Исходная заготовка-пруток продвигается перед штамповкой до убирающегося упора 13. Включается муфта 10, и движение через шестерни 7 передается коленчатому валу 4, который через шатун 5 обеспечивает возвратно-поступательное движение главного ползуна 11 с пуансоном 12.

В момент отключения муфты 10 включается тормоз 6, останавливающий коленчатый вал в нужном положении.

Рис. 6. Горизонтально-ковочная машина: а — кинематическая схема; б — внешний вид.

ГКМ выпускают с усилием 500. . .31 500 кН. На них можно штамповать поковки из круглых прутков диаметром от 20 до 270 мм.

Винтовые фрикционные прессы предназначены для штамповки мелко- и среднегабаритных поковок в открытых и закрытых штампах, чеканки и правки поковок. Их строят с номинальным усилием 400. . .630 кН, длиной хода ползуна 240. . .600 мм и числом ходов 39-11 в минуту Скорость деформирования при штамповке составляет 0,3. . . 0,5 м/с.

Рис. 7. Винтовой фрикционный пресс

Общий вид фрикционного винтового пресса традиционой конструкции показан на рис. 7, а. От электродвигателя 1 через ременную передачу 2 вращается вал с закрепленными на нем фрикционными дисками 3. Нажатием на рукоятку управления 10 через систему тяг и рычагов вал с вращающимися дисками 3 можно перемещать вдоль оси и, таким образом, попеременно подводить диски справа или слева к маховику 4. При этом за счет сил трения вращение с дисков передается на маховик, закрепленный на винтовом шпинделе 5. Последний, вращаясь в неподвижно закрепленной гайке 6 в ту или иную сторону, опускает или поднимает ползун 8 в направляющих 12. Шпиндель 5 вращается относительно ползуна 8 в подшипниковой опоре. Штампы закрепляют на столе 11 и ползуне 8. Перед ударом по заготовке диск автоматически отводится от маховика, так как специальный выступ 7 на ползуне воздействует на кулачок 9, закрепленный на тяге, и перемещает ее вниз. После удара к маховику 4 прижимается подъемный диск. Ползун поднимается с использованием отскока от удара.

В верхнем положении ползуна диски не касаются маховика и ползун удерживается колодочным тормозом, смонтированным в нижней части шпинделя.

Проскальзывание маховика по диску является недостатком фрикционных прессов. Поэтому есть конструкции пресса, где маховик заменен ротором электродвигателя и соответствующей тормозной системой (рис. 7, б). При включении обмоток статора 2 ротор 1 с винтом 4 вращается электромагнитными силами в подшипниках станины 3. Винт зафиксирован в осевом направлении, поэтому при его вращении неподвижная гайка 5 перемещается вверх и вниз вместе с ползуном 6, жестко связанным с гайкой и двигающимся в направляющих станины вместе с выталкивателем 7 нижнего штампа. Такой пресс называется электровинтовым. Еще есть гидровинтовые прессы, в которых вращение винта осуществляется за счет подачи жидкости под давлениием.

Прессы современной конструкции имеют:

• устройство программирования энергии серий ударов;
• верхний и нижний выталкиватели;
• устройство для сдувания окалины;
• устройство для механизированной установки и снятия штампов;
• устройство для загрузки заготовок в рабочую зону пресса;
• устройство для удаления отштампованных изделий;
• устройство для ориентации нагретых заготовок и автоматической их подачи к устройству загрузки;
• программируемый командоаппарат;
• инерционный механизм переключения.

Преимущества и недостатки процесса

Горячая объемная штамповка обладает такими достоинствами, как:

• Изготовление поковок весьма сложной формы.
• Снижение потерь материалов.
• Снижение удельной трудоемкости.
• Нет необходимости в высокой квалификации штамповщика.
• Точность соблюдения габаритов и конфигурации.

К минусам метода горячей объемной штамповки относят

• Сложность операций
• Значительная энергоемкость
• Существенная стоимость и трудоемкость проектирования и изготовления оснастки. Штамп приходится делать из высококачественных материалов, и применим он только к данному изделию.
• Необходимость использовать большее усилие, чем при ковке
• Лимит веса готового изделия до 3-4 тонн.

Преимущества и недостатки

В целом горячую объемную штамповку имеет смысл применять при выпуске средних и больших серий, а также, если сложность формы и толщина детали не допускают применение обойтись холодной формовкой.

Технологический процесс горячей объемной штамповки охватывает множество подготовительных и рабочих операций, от поступления материала и до получения конечного изделия.

Схема горячей объемной штамповки

Проработка технологии включает такие этапы, как:

• Определяется схема горячей объемной штамповки — в открытых штампах или закрытая, выпускается конструкторская документация.
• Определяют переходы процесса, с учетом допусков выставляют размеры болванки.
• Исходя из потребного усилия горячей объемной штамповки выбирают оборудование (пресс, молот, и т. д.).
• Проектируются штампы.
• Задается метод нагревания и температурно-временной режим для каждой операции.
• Определяются отделочно-завершающие операции.
• Определяются технико-экономические характеристики проектируемого техпроцесса.

Горячая объемная штамповка требует от технологов, конструкторов и цехового персонала глубоких знаний по материаловедению и обширного практического опыта работы с данным процессом.

Сам процесс горячей объемной штамповки разделяется на следующие этапы:

• Нарезка проката на болванки,
• Доведение заготовок до рабочей температуры
• Штамповочные операции
• Удаление облоя
• Коррекция формы (при необходимости)
• Термообработка
• Удаление окалины
• Калибровка,
• Прием службой технического контроля.

Смазка для процесса горячей объемной штамповки

До подачи на штамп болванки требуется полностью и равномерно прогреть. На современных предприятиях этим процессом управляет автоматика, обеспечивая заданных график повышения температуры, равномерное прогревание всех заготовок по всему их объему и исключение образования оксидных пленок и зон пониженного содержания углерода. В качестве нагревателей применяют:

• электроконтактные установки. Нагрев осуществляется путем включения болванки в электрическую цепь и прохождению по ней сильного тока.
• индукционные системы. Нагрев производится вихревыми токами, возбуждаемыми в приповерхностном слое заготовки;
• газовые печи. Повышение температуры проходит в изолированной от атмосферы камере, заполненной инертным газом, исключающим образование окалины.

Удаление облоя и пробивка пленок применяется в случае открытой схемы горячей объемной штамповки. При этом используют специальные обрезные и пробивные штампы и кривошипные прессы.

Иногда в ходе выемки изделий из штампа, обрубки облоя или термообработки происходит искривление осей изделия либо нарушение поперечных сечений. Тогда применяют операцию коррекции формы, или правку. Заготовки больших размеров либо изготовленные из высококачественных сталей подвергаются правке, будучи горячими. Операция проводится в чистовом ручье после удаления облоя. Иногда операцию правки совмещают с обрезкой. Изделия небольшого размера корректируют винтовыми прессами по окончании термообработки и остывания.

Термообработка в горячей объемной штамповке

Термообработку проводят с целью доведения физических свойств изделий до заданных параметров и для облегчения финальной обработки. Операция позволяет также снять остаточные напряжения, уменьшить зернистость, повысить вязкость и пластичность.

Объемная штамповка

Чтобы упростить операции контроля, обеспечить прецизионное позиционирование болванки и снизить износ инструмента на стадии механической обработки, проводят очистку изделий от окалины. Для этого применяются дробеструйные комплексы. В изолированной камере поковки воздухом под большим напором разгоняют стальную дробь и направляют ее на движущиеся, на транспортере изделия. Многочисленные соударения сбивают пленки и хлопья окислов в поверхности, придавая ей матовый внешний вид и одновременно уплотняя приповерхностный слой. Для мелких изделий применяют другую установку — галтовочный барабан. В нем большое количество деталей пересыпается вместе с добавляемыми к ним металлическими шариками или звездочками. Благодаря многочисленным соударениям деталей с них сбивается окалина.

Иногда в последовательность добавляют еще один переход — калибровку. Она проводится с целью избежать финишной обработки, оставляя только шлифовку. Посредством плоскостной калибровки достигают точности габаритов по вертикали. Объемная калибровка служит для доведения габаритов в нескольких направлениях, позволяя также и снизить шероховатость. Для калибровки используют специальные штампы с особо точными ручьями, повторяющими конфигурацию поковки.

Тонкости изготовления штампов

Специальные ручьевые формы для штамповки эксплуатируются при повышенных напряжениях и высоких температурах. Естественно, это становится причиной их быстрого износа за счет снижения начальной стойкости, под которой понимают число поковок, произведенных посредством штампа до того момента, как он вышел из строя. Уровень стойкости формы для ГШ зависит от марки стали, используемой для изготовления штампа, качества его отделки и конструкции, сложности ручьев.

Сырьем для производства штампов обычно служат высоколегированные стали(5ХНТ, 5ХНВ). Формы из них долго не изнашиваются, так как обладают высокой прочностью и проходят специальную обработку механического типа на фрезерных, строгальных и токарных станках.

Изготавливаются штампы по достаточно сложной схеме, включающей в себя выполнение ряда трудоемких операций:

• отливки либо ковки – подготовка заготовки;
• обработка на металлорежущем оборудовании – увеличение прочностных характеристик;
• закалка (термообработка при определенной температуре) и отпуск;
• доводка.

Штампы для работы на ГКМ и ГКШП, а также на молотах выполняются из двух частей, в каждой из которых есть ручьи. При соприкосновении они формируют полость, идентичную форме изготавливаемой детали. Нижняя часть штампа монтируется в неподвижном механизме пресса или в специальном держателе, верхняя устанавливается в бабке штамповочного агрегата.

Штамп для работы на ГКМ и ГКШП

Сложные изделия производятся в многоручьевых формах. Если ручьи в них делают глубокими, требуется выполнять их обработку мазутом, который при испарении в процессе штамповочной операции формирует газовую смесь. Она расширяется и делает процедуру выемки готового изделия из ручья намного более простой и быстрой.

Заготовки под ГШ нагревают в разных видах печей – газовых, угольных, электрических и нефтяных. При этом всегда стремятся к тому, чтобы на поверхности форм не происходило окисление (не появлялась окалина). На некоторых современных предприятиях штамповочные заготовки нагревают на высокочастотных агрегатах. Подобные установки исключают вероятность пережога изделий, позволяют полностью автоматизировать операцию нагрева и предотвращают развитие окислительных процессов.

Штамповочные ручьи и их виды

Для простых конфигураций изделий горячая объемная штамповка выполняется за один проход.

Штамповочные ручьи и их виды

Если же предстоит отштамповать замысловатое изделие с перепадами толщин и высот, выступы и изгибы — изготовление проводят за несколько проходов, в каждом из которых формовка делается отдельной впадиной на штампе — ручьем. Их подразделяются на два вида:

Заготовительные

Используются для фасонирования приведения материала болванки к пространственной конфигурации, позволяющей провести операции горячей объемной штамповки с минимальными потерями материала.

Заготовительные ручьи

Виды заготовительных ручьев:

• Протяжной — растягивает определенные части болванки, сужая их сечение. Применяется серия несильных ударов с переворотом болванки
• Податной — утолщает сечение болванки, «перегоняя» на это место материал с соседних участков. Применяется также серия несильных ударов с переворотом болванки
• Пережимной — плющит болванку в месте применения, вызывая увеличение местной ширины. Используется 1-3 сильных удара,
• Гибочный – используется для деталей с выгнутой осью
• Осадочный — применяется для изделий, близких к круглой форме. Уменьшает высоту болванки, добиваясь нужной высоты и радиуса

Штамповочные

Используются в завершающей формовке, бывают черновыми и чистовыми.

Черновой используется для изделий сложной конфигурации и в целях снижения износа чистового. Предназначен для приближения габаритов и конфигурации болванки к окончательному изделию. Он глубже и уже, чем чистовой ручей, обладает большими радиусами и уклонами. Эти меры применяются для свободного размещения болванки в чистовом ручье.

Штамповочные ручьи

Чистовой ручей используется для формовки конечной продукции, изготавливается с припуском на усадку при охлаждении. Устанавливается в середине штампа, поскольку давление и возникающие напряжения при чистовой штамповке максимальны. Для отвода выдавливаемого металла вокруг ручья расположена облойная канавка.

Схемы штамповки

Конкретная конфигурация горячей объемной штамповки выбирается опытным технологом, принимающим во внимание следующие параметры:

• Размеры детали.
• Материал.
• Форма.
• Доступное оборудование.
• Лимиты трудоемкости и материальных затрат.

На текущий момент применяется две основные схемы горячей объемной штамповки:

• с открытым штампом;
• с закрытым штампом.

Штамповка в закрытом штампе проводится с небольшим зазором между его половинами. Подразумевается, что объемы болванки и конечной детали точно совпадают. Иногда делают две линии примыкания, находящиеся под углом друг к другу. Схема используется для формовки сравнительно несложных по конфигурации поковок и позволяет добиться наибольшей однородности внутреннего строения детали и меньшей шероховатости.

Схема штамповки в закрытых штампах

При применении схемы горячей объемной штамповки в открытых штампах нет соответствия объемов болванки и конечного изделия, происходит активное перераспределение массы металла между ее частями. Некоторая часть металла выдавливается за пределы штампа в приспособленную для этого канавку и называется облоем. Схема позволяет штамповать детали практически любой конфигурации, поскольку позволяет проводить большое количество черновых и завершающих проходов с промежуточными поворотами болванки.

Горячая объемная штамповка на молотах

Технология использует явление преобразования кинетической энергии падающего массивного молота в энергию ударной деформации заготовки. Молоты поднимаются в исходное состояние сжатым воздухом или паром и имеют массу от 0.5 до 25 тонн.

Горячая объемная штамповка на молотах

Изменяя высоту подъема молота, можно регулировать силу удара. Ход молота также регулируется, это дает возможность для поворота заготовки во время очередного подъема молота и более точной штамповки. Доступны все подготовительные операции, включая протяжку и подкат.

Точность изготовления деталей на молотах оставляет желать лучшего, что объясняется неминуемым сдвигом частей штампа друг относительно друга в момент удара. Допуски при использовании молотов приходится давать большими, а для обеспечения возможности выемки изделий из пресса делаются большие штамповочные уклоны.

Горячая объемная штамповка на прессах

Горячая штамповка металла проводится и на кривошипных прессах. Главная характеристика оборудования — это развиваемое им усилие, варьирующееся от 6 до 110 МН.

Горячая объемная штамповка на прессах

Конструкция кривошипного горячештамповочного пресса имеет жесткий привод и не дает возможности регулировать ход пресса и его усилие. Эти факторы исключают из перечня допустимых операций протяжку и подкат, поскольку для них нужно постепенно увеличиваемое давление.

Отсутствие ударов, постоянный ход штампа и использование направляющих исключает сдвиг, что позволяет добиться точности обработки, принципиально недостижимой на молотах.

Соответственно допустимо задание существенно меньших допусков, штамповочных радиусов и уклонов, что снижает потери материалов и повышает производительность оборудования.

Кроме того, статическая деформация глубже проникает в болванку, чем динамическая, и это делает доступными для обработки материалы с низкой пластичностью.

Отрицательными особенностями кривошипных горячештамповочных прессов являются:

• окалина запрессовывается в поверхность, для борьбы с этим применяют нагрев в инертной атмосфере или глубокую зачистку болванки;
• ввиду продолжительного соприкосновения с пуансоном болванка остывает, снижается ее пластичность и заполняемость.

Рекомендации мастеров

При подаче давления на заготовку излишний металл вытесняется в разъем штампа в виде облоя (заусенца). Облой препятствует выходу металла из полости штампа, тем самым заставляя его, заполнить весь объем полости ручья.

При конечной деформации излишки металла выжимаются в заусенец. Таким образом, не предъявляются высокие требования к заготовкам по массе. На конечной стадии процесса заусенец подлежит удалению, поскольку считается отходом. Штампы открытого типа используются для поковок любого типа.

Преимущества закрытой штамповки заключаются в отсутствии облоя, но в результате уменьшается расход металла, готовые изделия имеют более однородную внутреннюю структуру и наименьшую шероховатость наружной поверхности.

В производстве деталей из малопластичных металлов, обработку которых производят при воздействии всестороннего сжатия, этот момент имеет значение.

При горячей штамповке металла штамп подвергается высоким нагрузкам – тепловым и механическим. Срок эксплуатации штампов в этом случае недолог – от 3 до 10 тыс. штук поковок.

Поэтому метод горячей штамповки экономически выгоден исключительно в массовом или серийном производстве больших партий деталей, так как штамп – инструмент довольно дорогой. Он пригоден исключительно для изготовления той поковки, для которой специально спроектирован. Это его существенное отличие от универсального инструмента свободной ковки.