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 to 530 – 600 Со) и рекристализационный (to 650 – 720 Со). 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 Ra 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
Vc = (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:
lmax = (πD/4c) √E/σу
где: D – диаметр исходной заготовки
c – коэффициент закрепления концов заготовки (с = 2 при одностороннем редуцировании)
Е, σу - модуль нормальной упругости и предел упругости материала заготовки (σу ≈ σт).
Минимальное число переходов рассчитывается исходя из максимально допустимой деформации на переходах. Предельная относительная деформация Е = 1 – ((dn-1)/dn)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 Rа = 0,16 мкм, а при тяжелых работах полировать Rа = 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.