г лава

ХОЛОДНАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА НА МЕХАНИЧЕСКИХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕССАХ

1. ОСОБЕННОСТИ ШТАМПОВКИ НА ПРЕССАХ

Процесс формоизменения при штамповке на прессах в общем случае состоит иа четырех этапов: калибровка; фасонирование исходной заготовки; основные штамповочные операции; калибровка после штамповки. Некоторые этапы, кроме штамповочных операций, ; могут отсутствовать.

Большую часть заготовок для штам-повк:; на прессах получают отрезкой в штампах. Заготовка, полученная отрезкой в штампе от прутка, имеет отклонения от плоскостности и от параллельности торцов, от перпендикулярности осей, от симметричности попе5ечного сечения относительно главной оси. Заготовка, полученная выру0кой из плоского проката, также имеет отклонения формы. Диаметр (поперечные размеры) заготовок, кото-

Рис. I. Схемы калибровки:

а - по диаметру осадкой; образование наметки под выдавливание полости и образование фаски; б - торцов и по диаметру закрытой осадкой; в - по диаметру закрытой осадкой и образование наметок; г - поперечного сечения редуцированием; д~ по диаметру; образование фасок полузакрытой осадкой н высадка фланца; g -. по диаметру с- кернением торцов

рые должны подаваться на основные штамповочные операции, как правило, не соответствует диаметру проката, выпускаемого про.мышленностьго. Из условий упрощения технологии и конструкции штампа для отрезки обычно принимают отношение высоты к диаметру заготовки HID > 1, а для штамповки в большинстве случаев требуются заготовки с отношением HlD<i 1. Если для получения заданного отношения HID проводят открытую осадку, то заготовка после осадки имеет отклонения профилей продольного и поперечного сечений. Загрузка в полость штампа такой заготовки затруднена. Заготовка располагается в полости штампа произвольно. При штамповке наблюдается отклонение кинематики течения металла от запроектированной, ухудшается качество штампованной заготовки, создаются отклонения от соосности инструмента и направления технологического усилия пресса, что снижает стойкость инструмента, особенно пуансонов и оправок для выдавливания полости.

Если отклонения формы превышают предусмотренные чертежом допуски, то заготовку калибруют. Калибровку заготовки необходимо, как правило, применять перед выдавливанием полости. Перед высадкой, редуцированием, а иногда перед прямым выдавливанием сплошного стержня калибровку не проводят. Схемы калибровки приведены на рис. 1. Калибровкой достигается соответствие формы и размеров поперечного сечения заготовки и рабочей части инструмента с учетом заданных между ними зазоров. Одновременно устраняются превышающие допуски отклонения профилей поперечного и продольного сечений от плоскостности и параллельности торцов заготовки (рис. 1, а-г). При калибровке редуцированием с уменьшением диаметра от 0,3 мм и более снижается шерохо-

ватость боковой поверхности заготовки (рис. 1, г).

- Допуск на объем заготовки должен быть меньше или в крайнем случае равен допуску на объем штампованной заготовки (с учетом отходов и потерь), чтобы полученная штампованная заготовка имела размеры в пределах заданных допусков. Однако ужесточение допусков на объем заготовки может привести к значительному снижению производительности ее изготовления. Специальные дозирующие устройства, обеспечивающие высокую точность отрезки и, следовательно, малые отклонения объема заготовки, не нашли широкого применения как в отечественной, так и в зарубежной промышленности. Отклонения объема (массы) заготовки уменьшаются при сортировке заготовок по массе на подгруппы, а также при получении с металлургического завода прутка, дозированного по массе, Деление такого прутка на заданное число заготовок в соответствующее число раз повышает точность объема заготовки. Калибровкой также достигается:

а) предварительная деформация е 6 до 3-5%, которая не увеличивает наибольшую силу, но создает более плавное нагружение пуансона, образующего полость, сокращает неоднородность Деформации и разностен-ность заготовки, повышает устойчивость процесса пластического деформирования при редуцировании;

б) образование фаски на одном из торцов (рис. 1, а, б; д, е), что необходимо для механизации подачи заготовки в штамп, предотвращения образования заусенцев или скола фаски [при толщине дна менее 1-=-1,5), Т. е. 5 мм и менее]; сколовшийся металл и заусенцы, загрязняя полость штампа, ухудшают качество детали и вызывают преждевременный выход из строя инструмента;

в) образование наметки (рис. 1, а, в, г) или кернеиие торцов заготовки (рис. 1, е) под пуансон для выдавливания полости; наличие углублений на Topiie заготовки снижает отклонение от соосности пуансона и заготовки в начальный момент выдавливания полости, прямо пропорционально отношению длин незакрепленных частей

4 П/р г. А. Навроцкого

пуансонов для выдавливания и калибровки (при прочих равных условиях).

Наличие наметки сокращает разно-стенность выдавленной полости и уменьшает нагрузку на пуансон от поперечного изгиба. Наметка может быть заполнена смазочным материалом необходимой вязкости, обеспечивающей гидродинамические условия трения при выдавливании полости.

При фасонировании заготовки (рис. 1, д), которое следует совмещать с калибровкой, получают форму, которая способствует течению металла во все элементы полости штампа при наименьших нагрузках на инструмент, а также минимальной суммарной деформации, как локальной, так и по всему объему заготовки. Фасонирование Заготовки должно обеспечивать возможно более равномерную деформацию на штамповочных операциях, исключить возможность снижения устойчивости пластического деформирования, локализации деформации, следствием которой может явиться разрушение.

При выборе формы и размеров заготовки, поступающей на основные позиции штамповки, необходимо исходить из того, что формоизменение металла и заполнение полости штампа - результат движения инструмента. Создание напряженного состояния без значительного перемещения инструмента в процессе деформации не может обеспечить заполнения полости штампа. Для снижения удельных и полных сил, накопленной деформации и ее неравномерности по объему заготовки при оформлении сложных элементов конструкции детали необходимо иметь; а) два или несколько направлений течения металла; б) определенный запас объема металла, который при перемещении инструмента частично или полностью расходуется на образование заданного элемента конструкции детали.

Полученная после калибровки заготовка без промежуточной термической обработки и подготовки поверхности может направляться на основные штампованные операции. Однако, если калибровка заготовки совмещалась с фасонированием (образование фланцев и усеченных конусов, изменение про-

филя сечения и т. п.), а деформация Bj > 15, то для заготовки из латуней, бронз, никеля, никезевых сплавов и стали необходима промежуточная разупрочняющая термическая обработка (РТО) и повторная подготовка поверхности. Наряду с этим РТО я подготовка поверхности непосредственно перед основными штамповочными операциями позволяют наиболее иолио использовать технологические возможности штамповки иа прессах Л отличие от штамповки иа автоматах). Вопрос о необходимости РТО и способе подготовки поверхности перед калибровкой и фасонированием решается в зависимости от условий деформации.

Штамповка иа прессах из штучной заготовки по сравнению с штамповкой на автоматах из калиброванной проволоки (или прутка) значительно расширяет технологические возможности процесса:

максимальный диаметр (размер поперечного сечения) может быть увеличен с 35-40 до 100-150 мм; длина заготовок при использовании механических прессов до 2-2,5 диаметра, т. е. до 250-300 мм, а при использовании механических прессов специальных конструкций и гидравлических прессов - до 1 м и более; масса штампуемых заготовок иа механических прессах достигает 12-15 кг, при использовании механических прессов специальных конструкций и гидравлических прессов - до 20-40 кг, а в отдельных случаях - до 120 кг;

повышенная точность штампуемых заготовок, особенно по поперечному сечению, обеспечивается сочетанием характеристик пресса (высокой поперечной жесткостью, восьмикратными направляющими ползуна и др.) и штампа; возможность восстановления заданной точности направления в штампе по мере износа его направляющих элементов; повышенная точность позиционирования на многопозициопном штампе;

требования к технологической деформируемости заготовок могут быть значительно снижены, что позволяет штамповать детали сложной формы, а также детали из сплавов с повышенными эксплуатационными свойствами;

основные направления повышения технологической деформируемости заготовок: отработка режима предварительной термической обработки и рациональный выбор ее места в техно логическом цикле; покрытие и смазывание поверхности заготовки или любой ее части; минимизация суммарных деформации, регулирование кинематики течения и напряженно-деформированного состояняя металла с применением штампов специальных конструкций, штамповка с использованием комбинированных процессов; переход к теплой и полугорячей штамповке.

При штамповке иа автоматах практически невозможно покрытие торцов и промежуточная термическая обработка заготовок.

Штамповка иа прессах может быть осуществлена с применением всех операций формоизменения, приведенных в гл. 1 (табл. 1). Ниже дана классификация формоизменяющих операций применительно к штамповке на прессах, в которой рассмотрены особея-иости кинематики течения металла и области применения операций. Все операции формоизменения при штамповке по кинематике течения металла разделены на простые и комбинированные. При простых операциях течение металла задано кинематикой движения инструмента. Прн комбинированных операциях металл имеет два или не., сколько возможных направлений течения, Течение в разных направлениях по мере движения инструмента может происходить одновременно (совмещенный процесс, как частный случай комбинированного) и последовательно по времени. Совмещенность, последовательность течения металла, соотношение скоростей течения определяются в каждый отдельный момент времени наименьшим сопротивлением. При последовательном течении металла все технологические расчеты (определения давлений и полных сил, допустимых деформаций и т. д.) могут проводиться для данного этапа (с учетом суммарного упрочнения) как для простого. Для совмещенного процесса технологические расчеты следует проводить с учетом конкретных условий формоизменения.

А. простые операции

1. Свободная (открытая) осадка сплошного стержня {см. операцию Ai, гл. 1, табл. 1). Сжатие металла между элементами штампа сопровождается свободным радиальным течением, заторможенным только контактным трением. Фасонное поперечное сечение по мере осадки приближается к кругу. Уменьшение бочкообразности и необходимый профиль боковой поверхности могут быть достигнуты применением пуансонов в виде усеченного конуса. Отсутствие жесткого направления элементов штампа вдоль оси заготовии, отклонение от перпендикулярности торцов заготовки к главной оси, нарушение соотношения между высотой Н и диаметром D заготовки до штамповки [(HID) 2] вызывают относительное смещение торцов, искривление волокна и главной оси заготовки и отклонение формы от номинальной поверхности заготовки в целом. Отклонение от симметричности обусловливает резкое снижение продольной устойчивости заготовки и повышение поперечных сил, действующих иа пуансон при выдавливании полости. В наружных боковых слоях, особенно в средней части высоты заготовки, возникают растягивающие тангенциальные напряжения, снижающие деформируемость заготовки и качество детали (разрыхляется металл, могут образоваться макро- и микротрещины). Область применения. Калибровка по высоте, получение параллельных торцов заготовки при деформации 60,18. Уменьшение отношения HlD. Плоскостная калибровка заготовок. Удаление окалины с горячекатаных заготовок.

2. Закрытая осадка сплошного стержня (см. операцию A3, гл. 1, табл. 1). При (H/D) 2 осуществляется открытая осадка до соприкосновения выпуклой части (бочки) боковой поверхности заготовки со стенками инструмента. Далее происходит закрытая осадка - сжатие металла между плоскопараллельными элементами Штампа, сопровождаемое радиальньш течением металла по периметру. При (Я.О) > 2 и (£>i/D) < 1,25, где - диаметр полости матрицы, открытая осадка (первая стадия процесса) со-

провождается пластическим изгибом - складок не образуется, но волокно искривляется, что вызывает уменьшение продольной устойчивости заготовки при последующей осадке и высадке и ухудшает условия работы-пуансона при выдавливании полости. Разрыхление металла в зоне контакта боковой поверхности заготовки с инструментом отсутствует. Деформируемость заготовки и качество детали при этом по сравнению с открытой осадкой значительно возрастают. При уменьшении высоты пластической зоны кр = Янр (Я,-, Di) (где Hi, Di-~ текущие значения высоты и диаметра заготовки) ниже критической происходит рост относительного давления р. В этом случае процесс следует, как правило, приостановить, либо при превышении допустимого давления Рдоа металла на пуаисои должен самопроизвольно образоваться компенсатор путем обратного (см. операцию А4, гл. 1, табл. 1) или прямого выдавливания. Область применения. Калибровка по высоте и диаметру (поперечному сечению). Получение параллельных торцов, перпендикулярных к основной осн заготовки. Уменьшение отношения H/D. Производство заготовок для выдавливания полости, роликов подшипников и других деталей ответственного назначения.

3. Открытая высадка сплошного стерокня. Осуществляется с защемлением одного [(HID) < 2,3 и обоих {(HID) 2,5] концов заготовки. Кинематика течения незащемленного конца заготовки - как при открытой осадке сплошного стержня (см. п. 1). При осадке защемленного конца первая стадия (скольжение по торцу без перехода боковой поверхности на торец) отсутствует. Наличие защемления увеличивает показатель напряженного состояния П на боковой поверхности в зоне наибольшей выпуклости бочки. Область применения. Калибровка заготовок (см. п. !). Образование местных утолщений. Набор металла для последующей штамповки. Производство крепежных и других ступенчатых деталей.

4. Открытая высадка полого стержня с оправкой. Сжатие части полой Заготовки между плоскопараллель-

ными элементами штампа. Сопровождается радиальным течением, заторможенным на поверхностях контакта силами трения, более интенсивным в средней (по высоте) высаживаемой части заготовки. С увеличением отношения Hl(D-d) (d - диаметр полости) неравномерность скоростей течения по высоте и прогиб внутренней поверх-иосгн увеличиваются. Область применения. Для образования внешних и внутренних утолщений малой ширины и высоты (во избежание потери устойчивости). Более предпочтительна, как правило, операция, рассмотренная в п. 21.

5. Закрытая высадка сплошного стержня (см. операции А9, А10, Б4, 55, 57, 58, 510, В2, 84, В7, В8, гл. 1, табл. 1). Открытая осадка при (HID) 2,0, открытая осадка + пластический изгиб при (HiD) > 2 и (DilD) < 1,25 до соприкосновения выпуклой части заготовки со стенками инструмента (матрицы или пуансона). Далее закрытая осадка (см. пп. 1 и 2). Оформление боковой поверхности по всей длине высаживаемой части сопровождается образованием заусенца по месту разъема инструмента. Во избежание образования заусенца штамповку ведут с незаполнением полости штампа, или при заданном р излишек металла направляют прямым выдавливанием в компенсатор. Область применения. Образование местных утолщений, фланцев, набор металла для последующей штамповки заготовок с заданными формой и размерами сечения, калибровка (см. п. 2). Производство деталей типа шаровых пальцев, ступенчатых валов, штуцеров, а также крепежных и других ступенчатых деталей.

6. Закрытая высадка полого стержня (см. операцию В10, гл. 1, табл. 1). До соприкосновения с боковыми стенками инструмента открытая высадка (см. п. 4). При незначительном искривлении внутренней поверхности па первой стадии после соприкосновения заготовки с боковыми стенками мат-piiHbi искривление уменьшается до момента соприкосновения с оправкой по высоте высаживаемой части. При значительном искривлении из-за потери устойчивости при продольном изги-

бе на первой стадии (т. е. при открытой высадке) при наступлении второй стадии образуются складки на внутренней поверхности. По месту разъема частей инструмента (верхней и нижней) образуется заусенец (см. п. 5). При наличии зазора между оправкой и заготовкой вне зоны местной осадки (высадки) происходит радиальное течение металла к центру и пластический изгиб, а также выдавливание металла из зоны высадки в зазор между матрицей и оправкой. Качество внутренней поверхности ухудшается, возможно образование складок. Область применения. Образование местных утолщений, фланцев относительно малой толщины и высоты. Более предпочтительно сочетать высадку с прямым выдавливанием (см. п. 21), что обеспечивает возможность значительного набора металла.

7. Прямое выдавливание сплошного стержня постоянного сечения (см. операции Е1, Е2, ЕЗ, Е4, гл. 1, табл. 1). Течение металла заготовки относительно боковых стенок матрицы в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона р 3> (Os) x Я- (2,5-3,0)1), где Og - напряжение текучести, п - номер перехода.

По месту зазора между матрицей и пуансоном вероятно образование заусенца. При двух- и многоканальном выдавливании возможно неравенство длин выдавленных частей. Форма поперечного сечения невыдавленной части заготовки - круг и многоугольник, выдавленной части заготовки - круг, многоугольник и более сложные профили. Область применения. Производство ступенчатых сплошных штампованных заготовок и деталей с простым и фасонным поперечным сечением (болтов, гаек, ступенчатых валов, деталей со шлицами и продольными канавками, шестерен и др.).

8. Прямое выдавливание сплошного стержня переменного сечения. Течение металла заготовки относительно боковых стенок матрицы в направлении, совпадающем с направлением движения пуаисона (см. п. 7). Процесс выдавливания на первой (нестационарной) стадии заканчивается. Форма поперечного сечения невыдавленной части заготовки - круг, многоуголь

ник; форма поперечного сечения выдавленной части - круг, многоугольник и более сложные профили; форма продольного сечения - равнобокая трапеция, сегмент, сектор и другие осе-симметричные фигуры с уменьшающимся по длине диаметром или шириной. Область применения. Производство штампованных заготовок и деталей с отростками, бобышками и другими элементами переменного по длине сечения.

9. Прямое выдавливание полого стержня из сплошной заготовки (см. операции ГЗ, Д5, гл. 1, табл. 1). Течение металла заготовки относительно боковых стенок матрицы в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона (см. п. 7), передающего силу деформирования. Пуансон, образующий полость, и матрица относительно неподвижны. Нагрузка на пуансон, образующий полость, по сравнению с операцией обратного выдавливания (см. п. 12), вследствие сокращения воздействия реактивных сил трения уменьшается, но конструктивное оформление инструмента усложняется. Форма поперечного сечения невыдавленной части заготовки - круг и многоугольник, выдавленной части заготовки - кольцо с наружными и внутренними окружностями, многоугольниками и их сочетанием. Область применения. Производство штампованных заготовок гильз, колпачков, стаканов и других полых и и трубчатых деталей с гладкой и ступенчатой поверхностью; полых и трубчатых заготовок для прямого, обратного и ротационного выдавливания и вытяжки тонкостенных деталей.

10. Прямое выдавливание полого стержня из полой заготовки (см. операции Г1, Г2, гл. 1, табл. 1). Процесс выдавливания сопровождается течением металла заготовки относительно боковых стенок матрицы и оправки (см. п. 7). Форма поперечного сечения невыдавленной части заготовки - кольцо с наружной и внутренней окружностью, многоугольниками и их сочетание; выдавленной части заготовки - кольцо простого и фасонного сечения. Область применения. Производство штампованных заготовок тонкостепных гладких и ступенчатых

деталей со сквозной и глухой полостью.

11. Обратное выдавливание сплошного стержня постоянного сечения из сплошной заготовки (см. операцию HI, гл. 1, табл. 1). Течение металла заготовки относительно боковых стенок матрицы происходит в направлении, противоположном движению пуансона, образующего полость. Течение металла относительно стенок инструмента, за исключением зоны контакта в области очага деформации, на стационарной стадии процесса практически отсутствует. Условия работы пуансона, по сравнению с прямым выдавливанием (см. п. 7), усложняются. Детали простого и фасонного сечения с выдавленной частью - относительно небольшой длины и с малой площадью поперечного сечения. По окончании процесса на первой (нестационарной) стадии (см. п. 8) получают детали с отростками в виде конуса, сферы и других простых конструктивных элементов переменного сечения.

12. Обратное выдавливание полого стержня постоянного сечения из сплошной заготовки. Направления течения металла заготовки и движения пуансона, образующего полость, противоположны. Процесс состоит из трех основных стадий; в первой стадии (неустановившейся) происходит интенсивное увеличение силы выдавливания, распрессовка заготовки и образование очага деформации; во второй (установившейся) - сила из.меняется незначительно, металл в очаге деформации дополнительно упрочняется, локализация деформации усиливается. Третья стадия наступает при приближении значений высоты очага деформации и высоты перемычки. Вначале происходит образование радиальных пресс-утяжин, что вызывает уменьшение силы. Затем по мере осадки очага деформации при выдавливании сила интенсивно возрастает. Сила, действующая на пуансон, по сравнению с прямым выдавливанием (см. п. 9), больше, но конструктивное оформление пуансона проще. Формы поперечных сечений невыдавленной и выдавленной частей заготовки и виды штампуемых деталей при обратном и прямом (см. п. 9) выдавливании аналогичны.