Холодная объемная штамповка.

В промышленности применяют две основные технологические схемы холодной объемной штамповки:

1 схема состоит из четырех этапов:

1. разделка проката на мерные заготовки;

2. разупрочняющая термическая обработка заготовок;

3. подготовка поверхности заготовок;

4. штамповка.

Первая схема осуществляется, как правило, на механических и гидравлических прессах в одно или многопозиционных штампах.

2 схема состоит из трех основных этапов:

1. разупрочняющая термическая обработка проката;

2. подготовка поверхности проката;

3. штамповка.

Штамповка по второй схеме проводится на холодноштамповочных автоматах.

 

Разделка проката на мерные заготовки.

Разделка прокато производится в штампах на сортовых ножницах, кривошипных прессах и пресс-автоматах. Прокат можно резать так же на токарных станках и механических пилах. Но этот способ менее экономичен (меньше производительность и больше отходов).

При холодной объемной штамповке применяются 3 типовые отрезки заготовки от прутка в штампе:

 

1 схема. Неполная закрытая отрезка с поперечным пассивным зажимом. Производится в штампах с цельными втулочными ножами. Имеется поперечный зазор между прутком и отверстием ножа, в пределах которого возможен изгиб прутка и заготовки.

 

2 схема. Неполная закрытая отрезка с поперечным активным зажимом. Неполная закрытая отрезка – основной способ безотходного получения заготовок длиной более 0,8 – 1,0 диаметра.

3 схема. Закрытая отрезка с осевым сжатием. Отрезаемая часть прутка замкнута в полости подвижного ножа. В очаге деформации создается напряженное состояние всестороннего неравномерного сжатия. Образованные пластическим деформированием торцы имеют плоскую, гладкую и перпендикулярную к оси заготовки поверхность. Из-за сложности реализации этот способ имеет ограниченное применение (для отрезки точных заготовок из алюминиевых и медных сплавов). Способ пригоден для отрезки точных заготовок длиной более 0,1 диаметра.

Заготовки из плоского проката для чеканки получают вырубкой в штампах на прессах.

 

 

Предварительная и промежуточная термообработка.

Термическая обработка заготовок производится для уменьшения штамповки и повышения пластичности. Термическая обработка делится на предварительную, промежуточную и окончательную. Предварительная термообработка производится до основных формообразующих операций при штамповке, промежуточная – между формообразующими операциями для снятия упрочнения, окончательная – по окончании формоизменения для получения заданных физико-механических свойств и структуры.

Как правило прокатанный металл имеет заметные следы упрочнения. Предварительная термообработка может производится до калибровки, на одном из этапов калибровки, после калибровки. В большинстве случаев лучшие результаты достигаются при отжиге после калибровки. Промежуточный отжиг применяется при сложной форме штампуемых заготовок, больших деформациях для восстановления пластичности и снижения сопротивления деформированию. Для углеродистых и низколегированных сталей применяют обычно два вида отжига: простой (низкотемпературный при t^o 530 – 600 С^о) и рекристализационный (t^o 650 – 720 С^о). низкотемпературный отжиг применяют при критических и близких к критическим деформациях (Е до 0,1 – 0,16) и многократном их повторении

Влияние режима термической обработки на механические свойства Стали 10 (числитель) и Стали 20 (знаменатель):

Режим термической обработки	НВ	σт	σв	δ	ψ
МПа	%
Горячекатаное состояние (без термообработки	133	270	410	35	75
Нагрев до 680 – 700 оС, выдержка 3 часа, охлаждение с печью	107	190	370	39	77
Нагрев до 740 – 760 оС, выдержка 3 часа, охлаждение с пеью	85	190	330	42	79
Нагрев до 1050 оС, выдержка 1 час, охлаждение с печью	95	-	-	-	-
Нагрев до 760 – 780 оС, выдержка 1 час, охлаждение с печью до 650 – 670 оС, выдержка 1 час (4 цикла), охлаждение с печью	85	190 -	360 -	43 -	77 -

 

Сталь 35 (числитель) и Сталь 45 (знаменатель)

Режим термической обработки	НВ	σт	σв	δ	ψ
МПа	%
Горячекатаное состояние (без термообработки)	185	490	640	25	57
Нагрев до 680 – 700 оС, выдержка 3 часа, охлаждение с печью	150	270	550	31	66
Нагрев до 760 – 780 оС для стали 35 и до 780 – 800 оС для стали 45, охлаждение с печью	138	210	560	31	58
Нагрев до 1050 оС, выдержка 1 час, охлаждение с печью	138	-	-	-	-
Маятниковый отжиг (четыре цикла)	144	230	250 530	28	65

 

Рекомендуемые режимы разупрочняющей термообработки для сплавов цветных металлов:

 

Сплавы	Температура нагрева, оС	Способ охлаждения	Твердость после термообработки, НВ не более
Алюминиевые сплавы: АД 00 АД 1 АМц АМч 3 АМч 5	370 – 400 350 – 400 350 – 400 350 – 400 350 – 400	На воздухе
Д 1 Д 16 В 95	390 – 430 390 – 430 390 – 430	С печью
Медные сплавы: М 2, М 3 Л 90 Л 68 Л 63 ЛН 65-5	500 – 550 650 – 680 580 – 620 600 – 640 550 – 600	На воздухе
ЛС 59-1	600 – 650	С печью
Бр А 5 Бр АМц 9-2	620 – 670 650 – 700	На воздухе
Бр Б 2 Бр К Мц 3-1	800 – 810 600 – 650	Закалка в воде С печью
Бр К Н 1-3	850 – 860	Закалка в воде
Никелевые сплавы: НП 1, НП 2, НП 3 НМц 5	800 – 840 800 – 850	На воздухе
НМЖМц28-2,5-1,5 МН 19 МНЦ 15-20	800 – 840   680 – 720 600 - 650	С печью на воздухе -

 

Подготовка поверхности заготовок к холодной объемной штамповке.

Большинство процессов холодной объемной штамповки (особенно выдавливание) характеризуется следующими условиями трения: высокими удельными усилиями (до 2 – 2,5 ГПа и более), нагревом металла до 250 – 300 ^оС и более вследствие теплового эффекта при пластической деформации, значительным относительным перемещением металла и обновлением поверхности.

Для стабильного отсутствия непосредственного контакта между поверхностями заготовки и инструмента на поверхность заготовки наносят промежуточный слой, который должен соответствовать следующим требованиям:

1. надежное сцепление с поверхностью заготовки и сохранение сплошности при деформации. Толщина слоя во время деформации должна быть больше расстояния между впадинами и выступами на поверхности заготовки и инструмента (не менее 0,1 мкм);

2. способность уменьшить силы молекулярного притяжения между обрабатываемым металлом и инструментом, чтобы снизить коэффициент внешнего трения (до μ≤0,1, а если возможно μ<<0,1);

3. высокая пластичность. Скольжение должно проходить внутри промежуточного слоя, а не на поверхности заготовки и инструмента;

4. высокая термостойкость и теплоемкость.

Наиболее просто промежуточный слой создать смазыванием заготовки. Однако пленки из минеральных масел с наполнителями и добавками поверхностно активных веществ, а также другие известные смазочные материалы теряют сплошность при штамповке. Для обеспечения сплошности и заданной толщины промежуточного слоя заготовку перед смазыванием покрывают слоем носителя смазочного материала.

Технология подготовки поверхности состоит из двух этапов:

1. удаление дефектов (сплошная обдирка, дробеструйная обработка, матирование, галтовка, гидрополирование, подводное полирование) и очистка поверхности от окалины, жировых и других загрязнений;

2. нанесение промежуточного слоя.

Для получения слоя носителя смазочного материала заготовки из углеродистых сталей подвергают фосфатированию, т.е. на поверхность заготовки наносится слой кристаллических фосфатов. Лучшими антифрикционными свойствами обладают покрытия фосфатами марганца и цинка, пропитанные мылом. Фосфатирование с последующим омыливанием применяют также для низколегированных сталей.

Заготовки из углеродистых сталей при незначительном относительном перемещении металла и пониженных требованиях к качеству поверхности выдерживают во влажном состоянии на воздухе 20 – 30 минут («желтят»), а затем известкуют погружением в 20 % раствор гашеной извести.

Для легированных сталей, содержащих никель, более 6% хрома и никелевых сплавов применяют оксалатирование (покрытие солями щавелевой кислоты) с последующим омыливанием.

Заготовки из алюминиевых сплавов подвергают анодированию, т.е. образование на поверхности пленки окислов того же металла при электролизе в растворе серной кислоты (190 -200 г/л).

Заготовки из медных сплавов подвергают пассивированию в растворе хромового ангидрита и сульфата аммония. Смазочным материалом после анодирования или пассивирования служит костный животный или кашалотовый жир.

 

Формоизменяющие операции холодной объемной штамповки.

Основными формоизменяющими операциями холодной объемной штамповки являются: высадка, выдавливание, калибровка, чеканка, ротационная вытяжка, регулирование, накатка резьб, торцевая раскатка, навивка пружин, гибка проволоки.

Холодная высадка.

Производится на кузнечно-прессовых холодновысадочных автоматах. В основном производятся метизные изделия: болты, винты, гайки, заклепки, гвозди, шарики, ролики, мелкие кольца подшипников, тарелки клапанов, колесные спицы и т.д. При этом размеры штампованных деталей соответствуют 8 – 9 квалитетам точности, шероховатость поверхности R_a 2,5 – 0,63, так что ни в какой дополнительной механической обработке они обычно не нуждаются.

Холодной высадке подвергают углеродистую сталь (до 0,45 % С), легированную сталь многих марок, дюралюмин, латунь, красную медь и др. сплавы.

Набор металла для формовки утолщенной части изделия при отношении длины стержня (высаживаемой части) к диаметру не более 2,5 может быть выполнен за один переход, при отношении не более 4,5 – за 2 перехода, при отношении не более 8 – за 3 перехода. Набор более чем за два перехода в практике холодной высадки производится очень редко. При двухпереходной штамповке наиболее широко в качестве первого перехода применяют набор в конической полости пуансона, причем

цилиндрический конец заготовки остается недеформированным. При этом L/d ≤ 4,5; b/d ≤ 2,6; е = L – (a+c) = d-c;

C = (D-d)/(2tgγ/2)

 

Во избежании образования поперечной складки при высадке во втором переходе угол γ в первом переходе должен быть не более 20 ^о.

При b/d ≤ 2,6 объем конической части пуансона

V_c = (πd²/4)b ≤ 2,4d³

В отличие от горизонтально-ковачных машин у холодновысадочных автоматов ось подачи заготовки не совпадает с осью штамповки.

 

Схема одноударной высадки.

Проволока или пруток (1) подается прерывисто вращающимися роликами (2) через отверстие отрезной матрицы (7) до упора (8). Заготовка отрезается от прутка ножом (10) и специальным захватом

 

переносится на ось штамповки (6). При движении пуансона (5) к матрице (3) заготовка (4) заталкивается в нее до упора в выталкиватель, после чего высаживаетель выбрасывает изделие из матрицы.

Схема двухударной высадки.

После отхода пуансона (5) на его место на линию штамповки (6) выдвигается пуансон (12) второго перехода, а выталкиватель вступает в работу только после окончания второго перехода штамповки.

На схемах (9) – линия подачи прутка. Аналогично выглядит схема 3-х ударной штамповки.

 

Холодное выдавливание.

Выдавливанием получают изделия типа цилиндра, стакана, гильзы, баллона и т.п. Применяются шарнирно-рычажные чеканочные прессы, кривошипные и гидравлические прессы.

Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливания.

При прямом выдавливании металл вытекает через отверстие в донной части матрицы (2) в направлении совпадающем с направлением движения пуансона (1). Так можно получать детали в виде стержня с утолщением. Если на торце пуансона имеется стержень перекрывающий отверстие матрицы до

начала выдавливания, то металл выдавливается в кольцевую щель между матрицей и стержнем. Так можно получать полые детали.

 

 

 

 

При обратном выдавливании направление течения металла противоположно направлению движения пуансона. Металл может вытекать либо в кольцевой зазор между матрицей и пуансоном, либо в отверстие в пуансоне.

 

При боковом выдавливании металл вытекает в отверстие в боковой части матрицы в направлении, не совпадающем с направлением движения пуансона. Можно получать детали типа тройников, крестовин и т.п. Для удаления заготовки после штамповки матрицу делают разъемной.

 

 

Комбинированное выдавливание характеризуется одновременным течением металла по нескольким направлениям и может быть осуществлено различной комбинацией рассмотренных схем

 

Основной положительной особенностью выдавливания является возможность получения больших степеней деформации, поскольку металл находится в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Однако требуются большие усилия деформирования. Поэтому после каждого перехода штамповки заготовку отжигают, а при штамповке применяют обильную смазку.

 

Калибровка и чеканка.

Выполняют, как правило, на шарнирно-рычажных чеканочных прессах.

Калибровку применяют для получения заготовок заданной точности перед выдавливанием и как заключительную формоизменяющую операцию. Калибровка осуществляется открытой или полузакрытой осадкой, редуцированием, а так же в открытых штампах.

Чеканка может быть открытой и закрытой. Изделия, полученные чеканкой, можно разделить на 3 основные группы:

1. с односторонним рельефным изображением и гладкой обратной стороной (значки);

2. с двухсторонним рельефным изображением (монеты, медали);

3. с односторонним рельефным изображением, на обратной стороне которых допустимо отражение рельефного изображения лицевой стороны.

Кроме пуансона лицевой стороны и матрицы (при закрытой чеканке) штамп имеет контрпуансоны: гладкий в первом случае; с задним рельефным изображением – во втором; с рельефным изображением, обеспечивающим оптимальные условия течения металла, - в третьем.

Выпуклое рельефное изображение при чеканке достигается прямым выдавливанием металла в вогнутый рельеф пуансоном.

Сложное влияние оказывает трение. В целях избежания дефектов при рельефной чеканке в общем случае смазка нежелательна. Попадание смазочного материала в углубление рельефа инструмента вызывает увеличение шероховатости поверхности изделия, а главное – вызывает «размазывание» рельефа в результате интенсивного скольжения металла относительно инструмента. Однако тонкий регламентированный слой смазки повышает интенсивность заполнения на 20 – 25 %, не ухудшая качества.

Усилие чеканки, Н, определяется по формуле:

P = Fq,

где F – площадь проекции рабочего торца пуансона, мм

q – удельное усилие, МПа.

Чеканка	Материал и его толщина S, мм	q, МПа
Вогнуто-выпуклого рисунка с деформацией менее 2 %	Латунь отожженная S ≤ 0,5	100 – 150
Открытая, плоских деталей с деформацией менее 2 %	Латунь S ≥ 0,7	200 – 500
Выпукло-вогнутого рисунка	Латунь S ≤ 1,8	800 – 900
Глубокого рельефа на плоских деталях	Алюминий	600 – 1200
Открытая, рельефа на плоских деталях	Латунь, нейзильбер	800 – 1400
В полосе глубокого рельефа	Сталь 08, 10	1000 – 1500
Монет, орденов	Золото	1200 – 1500
Монет, медалей	Серебро, никель	1500 – 1800
Букв, рисунков	Сталь 15 Сталь 20, 25,35 S ≥ 0,7	1600 – 1800 2000 – 2800
Двустороннего рисунка	Коррозионностойкая сталь	2000 – 3000
Одностороннего рисунка	Латунь S = 0,4 ÷ 3	2500 – 3000

 

Редуцирование.

Применяют, например, для калибровки болтов перед резьбонакаткой. Различают редуцирование одно– и многопереходное, одностороннее и двустороннее, с напряжением заготовки по образующей и без такового.

1 – матрица

2 – направляющая

3 – деталь

4 – пуансон

максимальна длина исходной заготовки при редуцировании без направления по образующей определяется условием продольной устойчивости:

l_max = (πD/4c) √E/σ_у

где: D – диаметр исходной заготовки

c – коэффициент закрепления концов заготовки (с = 2 при одностороннем редуцировании)

Е, σ_у - модуль нормальной упругости и предел упругости материала заготовки (σ_у ≈ σ_т).

Минимальное число переходов рассчитывается исходя из максимально допустимой деформации на переходах. Предельная относительная деформация Е = 1 – ((d_n-1)/d_n)² стальных заготовок на 1 и 2 перехода составляет 0,25 – 0,3, на 3 и последующих 0,3 – 0,33.

 

Ротационная вытяжка.

Это процесс последовательного изменения формы и размеров плоских или полых вращающихся заготовок приложением локализованного деформирующего усилия. Локализованное деформирующее усилие передается на заготовку с помощью рабочего инструмента (давильника), перемещающегося по заданной траектории.

Ротационная вытяжка может производиться без утонения стенок и с утонением. Вытяжка без утонения стенок делится на однопереходную и многопереходную. При однопереходной вытяжке инструмент движется по простой траектории, аналогичной образующей готовой оболочки. При многопереходной вытяжке инструмент движется по сложной траектории, поэтапно приближающейся к форме образующей готовой оболочки.

Однопереходная ротационная вытяжка:

 

1 – ая операция 2 – ая операция

1 – исходная заготовка

2 – оправка

3 – прижим

4 – давильный ролик

Однопереходная вытяжка без утонения стенок производится если зазор ∆ между роликом и оправкой несколько больше толщины заготовки:

∆ ≥ k (t ± δ₁)

где: k – коэффициент, учитывающий увеличение толщины стенки вследствие тангенциальных сжимающих напряжений k = 1,1 ÷ 1,2;

δ₁ – допуск на толщину стенки исходной заготовки.

Для обеспечения оптимального режима вытяжки, необходимо:

· задавать необходимый зазор между роликом и оправкой;

· шлифовать рабочие поверхности роликов R_а = 0,16 мкм, а при тяжелых работах полировать R_а = 0,1 ÷ 0,04 мкм;

· задавать необходимые радиусы переходов оправки и профилей рабочих частей роликов;

· строгое соответствие траектории перемещения ролика геометрическим особенностям процесса;

· применять смазочный материал, обеспечивающий стабильно низкий коэффициент трения и хорошо удерживающийся на поверхности. Эффективно покрывать заготовки носителем смазочного материала (фосфатировать, анодировать, пассивировать и т.д.).

 

Схема траектории движения инструмента при многопереходной ротационной вытяжке:

1 – 2 – линия подхода инструмента к заготовке. Ролик движется по заданным траекториям, поэтапно приближающимся форме образующей готовой детали.

Ротационной вытяжкой с заданным утонением получают оболочки с постоянной и переменной толщиной стенок.

Наиболее простой случай – ротационная протяжка. Применяют два метода: прямой и обратный с наличием осевого прижима и без осевого прижима. При обратном методе длина оправки может быть меньше длины детали, можно применять более компактное оборудование, но качество ниже.

 

 

 

 

Прямая протяжка Обратная протяжка Обратная протяжка

с осевым прижимом без прижима

 

Торцевая ротационная раскатка.

Применяется для получения кольцевых деталей с фланцами и другими утолщениями взамен обработки резанием или горячей штамповки.

При этом не требуется мощного штамповочного оборудования, уменьшается суммарная трудоемкость на 30%, снижается расход металла до 20 – 30%, расход инструмента в 1,5 – 2 раза вследствие резкого сокращения удельных усилий и упрощения конструкции.

Заготовки для торцевой раскатки чаще всего являются заготовки из труб. В качестве основного деформирующего инструмента применяются валки цилиндрической или конической формы.

Цилиндрический валок формирует внутренний или наружный бурты по схеме высадки.

Значительно большие возможности обеспечивает деформирующий инструмент в виде конического валка, расположенного под углом 5 – 15 ⁰ к оси детали. Этот валок позволяет формировать деталь по схемам высадки, прямого и обратного выдавливания, раздачи, осадки и др.

 

 

 

Раскатка цилиндрическим Раскатка коническим

валком валком

1 – матричный блок

2 – матрица

3 – заготовка

4 – оправка

5 – раскатный валок

6 – деталь

 

Машины для холодной объемной штамповки.

 

Все оборудование для холодной объемной штамповки можно разделить на прессы и автоматы. Прессы, в свою очередь, делятся на механические и гидравлические.

 

Механические вертикальные прессы для холодной объемной штамповки бывают с номинальным усилием от 0,63 до 40 МН. В качестве главного исполнительного механизма используются кривошипно-шатунный и кривошипно-коленный механизмы. К основным преимуществам механических прессов следует отнести непрерывное движение пуансона со скоростью, изменяющейся по заданному закону.

 

Кинематическая схема коленно-рычажного механизма чеканочного пресса:

 

1 – кривошип

2 – шатун

3 – рычаги

4 – ползун

5 – стол

 

В нижнем положении ползуна шарниры (6,7,8) устанавливаются на одной прямой линии.

При этом достигается наибольшее усилие на ползуне.

 

Гидравлические прессы для холодного выдавливания применяются в основном для деталей удлиненной формы в мелкосерийном производстве. Эти прессы имеют относительно большой рабочий ход, большее усилие (до 40 МН) и незначительные скорости выдавливания. Основное преимущество – использования полного номинального усилия равномерно в продолжении всего рабочего хода.

Можно регулировать усилие, скорость и ход ползуна. Можно уменьшить удар при соприкосновении инструмента с заготовкой путем снижения скорости в момент касания.

 

Автоматы для холодной объемной штамповки выпускаются горизонтального исполнения. Они делятся на автоматы для выдавливания, накатывания резьб, высадки. Автоматы для высадки бывают однопозиционные и многопозиционные, одноударные и двухударные, с цельной и разъемной матрицей.