Полугорячее выдавливание

Полугорячее выдавливание поковок осуществляют по схемам прямого, обратного и комбинированного выдавливания за один-два перехода.

К заготовкам для полугорячего выдавливания предъявляют ряд требований, заключающихся в следующем: объем заготовки следует рассчитывать по нижним допускам на диаметр прутка и длину, угол скоса торцов не должен превышать 1° от плоскости, перпендикулярной к оси заготовки, зазор между приемником матрицы и заготовкой должен составлять 2 – 3% диаметра матрицы. Исходные заготовки получают резкой на токарных автоматах, механических пилах, в специальных штампах, на пресс-ножницах.

Технология полугорячего выдавливания состоит из следующих операций: резка заготовок; обезжиривание заготовок в ваннах или галтовочных барабанах; нанесение смазочного материала; нагрев заготовок в индукционных нагревательных установках либо в проходных и камерных электропечах сопротивления; штамповка выдавливанием; подрезка торцов; маркировка; термообработка.

Вместо обезжиривания можно применять отжиг при температуре 725°С в течение 4 – 7 ч, охлаждение в печи до 400 – 450 °С и последующую очистку окалины в галтовочном барабане. Отжиг повышает пластичность заготовок и снижает твердость, что дает возможность снизить усилия деформирования и повысить стойкость инструмента.

Во многом успех полугорячего выдавливания зависит от правильного выбора смазочного материала, который должен хорошо «прилипать» к заготовке, смазочная пленка не должна разрываться при выдавливании, иметь теплоизолирующие свойства и высокую температуру сгорания, не давать коррозии на изделии и инструменте и окисляться при рабочих температурах. Указанным требованиям лучше всего удовлетворяют смазочные материалы на основе графита, например состоящий из двух частей графита и одной части сульфит-целлюлозного щелока (продукт отхода целлюлозной промышленности). Он равномерно покрывает всю хорошо очищенную поверхность заготовки и после галтовки быстро высыхает, образуя прочную пленку, не осыпающуюся при транспортировке и нагреве. При полугорячей штамповке кольцевых поковок применяют смазочный материал, состоящий из смеси графита и мела, разведенных в мыльной воде. Он достаточно эффективен, хотя быстро засоряет полость ручья штампа, ухудшает качество поверхности поковок и снижает их точность. В последнее время в качестве смазочного материала для полугорячей штамповки начали применять состав на основе соединений лития. Эксперименты, проведенные в промышленном масштабе, показали, что на поверхности заготовок образуется плотная маслянистая пленка, которая полностью предотвращает окалинообразование и позволяет повысить стойкость штампа в четыре-пять раз.

Деформирующий инструмент (пуансоны и матрицы) при полугорячем выдавливании работает в тяжелых условиях. Особенно в тяжелых условиях работает пуансон, испытывающий неравномерный нагрев и охлаждение, в результате чего в нем возникают термические напряжения и снижается усталостная прочность. При полугорячем выдавливании давление достигает 900 – 1000 МПа, поэтому матрицы делают бандажированными. Для изготовления сменного инструмента рекомендуется применять следующие стали и сплавы: для матриц ВК15, Р18, ЗХ2В8; для пуансонов Р18, ЭИ945; для выталкивателей Р18, 9ХС; для бандажей 40Х, ЗОХГСА. Опыт полугорячей штамповки на ряде заводов показывает, что удовлетворительной стойкостью можно считать для пуансонов 2000 – 5000 поковок, а для матриц 3000 – 6000 поковок. Темп работы не должен превышать 6 – 10 поковок в минуту. Пуансоны и матрицы следует охлаждать струей воздуха или масляной эмульсией.

Рисунок 1. Конструкции рабочих частей штампов для прямого (а) и обратного (б) полугорячего выдавливания:

1 – получаемая деталь; 2 – бандаж; 3 – матрица; 4 – пуансон

На рисунке 1 приведены конструкции рабочих частей штампов для прямого и обратного выдавливания. Для прямого выдавливания высоту рабочей части приемника матрицы hM делают на 3 – 5 мм больше высоты заготовки hм = h3 + (3 + 5) мм и угол конуса рабочей поверхности матрицы а = 120-160°. Высота калибрующего пояска матрицы hK = 1/2dм. Диаметры приемника матрицы DM и калибрующего пояска матрицы dM выполняют в соответствии с диаметрами получаемой детали по нижнему допуску на размеры с учетом дальнейшей перешлифовки. Диаметр выходного отверстия матрицы dM должен быть на 0,1—0,2 мм больше диаметра калибрующего пояска dм = dM + (0,1+0,2) мм. Пуансоны выполняют с плоскими торцами и закругленными кромками радиусом r = = (0,5+1,0) мм. Длина lп рабочей незакрепленной части пуансона не должна превышать 2,5 – 3 его диаметров 1п (2,5 + 3,0)Dп. Для предотвращения образования торцового заусенца зазор между матрицей и пуансоном не должен превышать 1 – 2% диаметра матрицы Dn = (0,98+0,99) DM.

Для обратного выдавливания размеры рабочих частей пуансона и матрицы определяют по следующим соотношениям. Длина незакрепленной части пуансона 1П на должна превышать 3,5 – 4 его диаметра, 1п <(3,5 + 4,0) dП. Высота hK калибрующего пояска пуансона должна быть не более 0,2 – 0,3 диаметра d„ пуансона hK (0,2+0,3) dП. Диаметр dП калибрующей части пуансона принимают на 1 – 2% больше диаметра dn пуансона dn = dn (0,01 + 0,02)dn. Формующие части пуансона выполняют без резких уступов с закруглением радиусом г = (0,08-0,1) dП, а угол конуса а = 10-12°. Хвостовик пуансона выполняют в форме бурта или конуса. Шероховатость рабочих поверхностей пуансона и матрицы Ra = 0,16-0,32 мкм. Матрицу изготовляют однобандажной, она состоит из бандажа 2 и вставки 3, запрессованной по горячей посадке. Высота приемника матрицы на 5-10 мм больше высоты заготовки hм = hа + (5-10) мм. Конструкции штампов для прямого, обратного и комбинированного выдавливания показаны на рисунке 2.

Ориентировочно определить усилие при выдавливании можно по формуле Р = pF, где р – удельное усилие, определяемое по кривым в зависимости от температуры и степени деформации; F – площадь поперечного сечения пуансона. Полугорячее выдавливание можно осуществлять на универсальных кривошипных, винтовых, чеканочных, кривошипно-коленных и гидравлических прессах.

Детали, получаемые полугорячим выдавливанием, имеют Ra = 1,5-2,5 мкм и точность размеров соответствует 8 – 10-му квалитетам. Внедрение полугорячего выдавливания вместо обработки резанием дает большой экономический эффект – позволяет экономить до 50% металла, снизить на 50% трудоемкость и на 30% себестоимость. Коэффициент использования металла повышается до 0,8 – 0,95.

Рисунок 2. Штампы для прямого (а), обратного (б) и комбинированного (в) полугорячего выдавливания

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом (в Англии, США, ФРГ и Японии) проявляется повышенный интерес специалистов к промышленному применению полугорячей объемной штамповки сталей и сплавов.

Приведем несколько примеров эффективности внедрения полугорячей штамповки. На 1ГПЗ разработана и внедрена новая технология полугорячей закрытой штамповки наружных колец конических двухрядных подшипников 57703 у которых внутренняя поверхность состоит из двух усеченных конусов. По ранее существовавшей технологии поковки наружных колец штамповали на ГКМ, они имели цилиндрическую внутреннюю поверхность с увеличенным припуском на механическую обработку (см. рисунок 2, а).

По новой технологии поковки колец 57703 штампуют следующим образом: штамповка на горизонтально-ковочной машине кольцевых заготовок наружным диаметром 81+1, внутренним диаметром 61-1 и высотой 49+1,5 мм; отжиг; галтовка; нанесение смазочного материала, состоящего из смеси мела и графита; нагрев до 650 – 700 °С; полугорячая штамповка на КГШП в штампе с открытой компенсационной полостью и противодавлением (рисунок 3, в), позволяющим обеспечить повышенную геометрическую точность поковок (рисунок 3, б).

Опыт штамповки поковок колец подшипников в условиях массового производства показал, что при колебании массы исходной

Рисунок 3. Поковки конических колец, получаемые на ГКМ (а), полугорячей штамповкой (б) и штамп (в) для закрытой штамповки: 1 – съёмник; 2 – пуансон; 3 – матрица; 4 – выталкиватель

заготовки, не превышающей 7 – 10%, компенсация происходит примерно поровну за счет открытой и закрытой компенсационной полости, а допуск на высоту поковок находится в пределах 2,5 мм. В результате внедрения новой технологии в кузнечном цехе 1ГПЗ получена годовая экономия стали ШХ15 – 122 т, а общий экономический эффект с учетом снижения трудоемкости механической обработки составил более 10 тыс. руб.

В течение многих лет технология полугорячей объемной штамповки различных сталей применяется на Ковровском экскаваторном заводе для обратного выдавливания поковок роликов экскаваторных цепей, на Кобринском инструментальном заводе для обратного двухстороннего выдавливания поковок сменных головок торцевых гаечных ключей, на Ярославском моторном заводе для обратного выдавливания поковок стакана форсунки, на Воронежском экскаваторном заводе для комбинированного выдавливания поковок втулки экскаваторной цепи Галля, на Минском тракторном заводе для обратного двухпереходного выдавливания поковки толкателя тракторного двигателя. Штамповку осуществляют на кривошипных прессах моделей КБ262 и КБ272 усилием 1,6МН. Применяемые конструкции штампов, разработанные заводами и ЭНИКМАШем, показали надежную работоспособность и не вызывают затруднений при замене сменного инструмента.

По данным ПО ГАЗ ежегодно на заводе изготовляют 14,5 млн. деталей типа тел вращения с центральным отверстием (зубчатые колеса, муфты, ступицы и др.) 30-ти наименований при затрате горячекатаного проката 25 800 т. Поковки получают горячей штамповкой на КГШП и ГКМ. При этом основные отходы металла образуются в виде облоя, выдры и концевых отходов при горячей штамповке и в виде стружки на операциях предварительной обработки на многошпиндельных токарных автоматах и многорезцовых токарных станках.

Применительно к деталям типа тел вращения с центральным отверстием на заводе разработана и опробована новая технология их получения высокоточной полугорячей штамповкой. В качестве примера такой штамповки рассмотрим технологию изготовления поковки шестерни второй передачи (рисунок. 4), годовая программа которой составляет 700000 шт. По традиционному технологическому процессу шестерни изготовляли из штанг горячекатаного металла диаметром 50 и длиной 1540 мм. Из штанги, предварительно нагретой в газовой печи, штамповали восемь поковок на ГКМ, усилием 10 МН за четыре перехода. Затем поковки проходили нормализацию, дробеочистку и предварительную токарную обработку на автоматах 1К262. Для предварительной токарной обработки использовали шесть автоматов, занимающих 125 м² производственной площади. Расход металла на одну шестерню составлял 3,006 кг, масса заготовки 2,968 кг, масса поковки 2,6 кг.

Рисунок 4. Переходы I-IV штамповки шестерни

По новой технологии заготовки из горячекатанной стали 35Х диаметром 56 мм рубят на прессе на длину 107 мм и подрезают с двух сторон на длину 100 ± 0,2 мм со снятием небольшой фаски. Подрезать торцы заготовок на режущем оборудовании нежелательно, однако освоенные способы рубки заготовок больших диаметров не позволяют получать длину и качество торцов в соответствии с требованиями высокоточной штамповки. Поэтому, если потери металла на стружкообразование компенсируются высокой точностью получаемых поковок, обработка резанием торцов заготовки допустима. Заготовки нагревают в установке ТВЧ до 800-810 °С и штампуют за четыре перехода на прессе КВ342 усилием 16 МН (фактическое усилие не превышает 7,5 МН). В первом переходе заготовку осаживают с образованием выступа для центровки, во втором переходе – прошивают, в третьем пробивают перемычку, в четвертом осуществляют чистовую штамповку с оправкой в центральной части.

На рисунке 5 показаны штамп для окончательной закрытой штамповки и поковка шестерни второй передачи после высокоточной полугорячей штамповки. Высокая точность заготовки, штамповка в закрытом штампе дают возможность получать поковки, по своим размерам и точности соответствующие полученным из горячих поковок после их предварительной

Рисунок 5. Штамп (а) и поковка (б) шестерни: 1- подкладное кольцо; 2- пуансон; 3 – оправка; 4 – выталкиватель; 5 – матрица

токарной обработки на автоматах 1К282. Внедрение новой технологии позволило сократить потери металла при изготовлении шестерни второй передачи с 0,916 до 0,009 кг и сэкономить 637 т проката, ликвидировать операцию нормализации, уменьшить коробление зубьев после химико-термической обработки. В таблице приведены технико-экономические показатели старой и новой технологии штамповки шестерни второй передачи при годовом выпуске 700 тыс. шт.

Изготовление высокоточных поковок шестерни по новой технологии предусматривается в линии механической обработки на специально спроектированной комплексной автоматической линии производительностью 360 поковок в 1 ч.

В последнее время технологические возможности полугорячей объемной штамповки начали использовать для выдавливания формообразующих полостей штампов, основным видом изготовления которых является обработка резанием, связанная с большим расходом инструментальной стали, большой трудоемкостью и недостаточной стойкостью получаемого инструмента.

Рельефные полости технологической оснастки получают выдавливанием в заготовках из углеродистой и легированной конструкционной и инструментальной стали марок 40Х, 12ХНЗА, У10А, ШХ15, Х12М, Р6М5 и др. Открытым выдавливанием изготавливают полости глубиной h 0,5d, где d – наибольший поперечный размер. Погрешность размеров соответствует 12 – 16 квалитетам, удельное усилие на пуансоне составляет 500 – 900 МПа. Полузакрытым выдавливанием получают полости глубиной h = 0,7d, точность размеров более высокая – 12-14 квалитеты, удельное усилие достигает 700-1200 МПа. Закрытое выдавливание позволяет получать полости глубиной до h = 2d и более, точность размеров при этом наивысшая: 8-9 квалитеты, удельное усилие деформирования достигает 1800-2000 МПа и выше.

На ряде заводов разработаны и внедрены технологии полугорячего выдавливания формообразующих полостей технологической оснастки. Производственным объединением «Кировский завод» и другими предприятиями Ленинграда в содружестве с Ленинградским механическим институтом полугорячим выдавливанием изготовлено свыше 4000 деталей 32 наименований для штампов и пресс-форм из сталей 40Х, У10А, Х12М, 5ХНМ, ХВГ, ШХ15, ЗХ2В8Ф. Точность размеров изготовленных полостей

Технико-экономические показатели старой и новой полугорячей технологии штамповки шестерни второй передачи

соответствовала 8 – 9, 12 квалитетам, шероховатость поверхности составляла Ra = 0,324-0,63 мкм. Расчет затрат на изготовление разными способами (резанием, электрохимической обработкой, полугорячим выдавливанием, электроэрозионной обработкой) рабочих полостей штампов для горячей штамповки четырех деталей трактора К-700 показывает, что при малой партии (до 10 шт.) штампов полости целесообразно изготавливать обработкой резанием, при партии от 10 до 30 шт. выгодно применять полугорячее выдавливание.

Технология полугорячего выдавливания формообразующей полости матрицы из стали 7X3 для штамповки призматических деталей «палец», идущих на сборку скребковых конвейеров, внедрена на Свердловском судоремонтном заводе Ворошиловградской области. Штамповку выдавливанием полости матрицы при температуре 760°С производили на гидравлическом прессе П-457 усилием 2 МН в закрытом штампе. Поковки деталей «палец» из стали 45 штамповали полугорячим выдавливанием при 750°С на кривошипном прессе модели К847 усилием 1 МН в штампе с разъемными матрицами. Двойное бандажирование матрицы позволило производить штамповку при довольно высоких удельных усилиях. Центрирование полуматриц при смыкании обеспечивается замком, выполненным на бандажах. Стойкость инструмента составила 6500 поковок. Внедрение полугорячего выдавливания полости матрицы и полугорячей штамповки выдавливанием поковки детали палец позволило сэкономить 63,36 т сортового проката, 8490 кВт-ч электроэнергии, режущего инструмента на 17,5 тыс. руб. Трудоемкость станочных работ снижена на 31,8 тыс. нормо-ч. Годовой экономический эффект составил 70 тыс. руб.

Более сложной технологией является формообразование полугорячим выдавливанием ручьев в крупногабаритных заготовках штамповых кубиков. Штамповку выдавливанием ручья штампа для изготовления удлиненной поковки наконечника массой 0,8 кг на штамповочном молоте с массой падающих частей 1000 кг осуществляли в кубиках размером 500x500 мм из стали 5ХНТ. Предварительно производили черновую обработку зеркала штампа, чтобы удалить обезуглероженный слой и улучшить качество поверхности. Кубики нагревали в камерной печи, куда был помещен поддон с карбюризатором и добавками окислов молибдена и вольфрама в количестве 3-5% от массы карбюризатора.

Режим штамповки заключался в аустенизации при температуре 1000°С, подстуживании на воздухе и выдавливании при 630-650°С. С этой целью кубик манипулятором устанавливали на верхней плите штампа и упорами центрировали по направляющим планкам. Пластическая деформация переохлажденного аустенита привела к реализации эффекта динамического деформационного старения, что и улучшило эксплуатационные свойства стали. Выдавливание ручья штампа производилось на гидравлическом прессе П156 усилием 20 МН. Твердость молотового штампа соответствовала 413НВ (по заводскому режиму 320НВ). Стойкость штампа увеличилась в 1,78 раза. Экономический эффект от внедрения технологии выдавливания ручьев штампа для трех наименований поковок составил 40 тыс. руб. [1].

4 Полугорячая объёмная штамповка в металлургическом производстве ОАО «АвтоВАЗ»

Полугорячая штамповка в последние годы получила широкое распространение в авто­мобилестроении и других отраслях машино­строения с массовым и серийным характе­ром производства. Методами горячей штам­повки изготавливают поковки в широком диапазоне масс из высокоуглеродистых, ле­гированных, коррозионно-стойких сталей, а также труднодеформируемых цветных метал­лов и сплавов.

Суть процесса полугорячей штамповки за­ключается в том, что металл нагревается и де­формируется при температуре, находящейся выше критической точки перлитного превра­щения (но ниже температуры окалинообразования), что позволяет существенно (до 65%) снизить сопротивление деформации.

В металлургическом производстве "АвтоВАЗ" в настоящее время работают три пресса для полугорячей штамповки поковок: гидравлический усилием 5 МН фирмы "Закк и Киссельбах", четырех- и пятипозиционный преессы-автоматы номинальной силой соответственно 6,3 и 16 МН фирмы "Шулер".

На прессе силой 16 МН изготовляют по­луфабрикаты поковок корпуса внутреннего шарнира (рисунок 6) для автомобиля ВАЗ-2108. Изна­чально данную деталь изготовляли полно­стью методом ХОШ за четыре перехода на прессах фирмы "Брет" с промежуточными от­жигами заготовок и нанесением слоев фос­фата цинка и мыла. В соответствии с новой технологией в холодном состоянии на прес­сах фирмы "Брет" производят только оконча­тельное формирование внутренних дорожек детали, а все остальные переходы осуществ­ляют в полугорячем состоянии. Внедрение комбинированного варианта штамповки по­ковок корпуса внутреннего шарнира (полуго­рячее выдавливание + ХОШ) позволило зна­чительно сократить количество промежуточных операций отжига, фосфатирования и омыливания и существенно снизить затраты на производство.

Рисунок 6. Схема штамповки поковки обоймы наружного шарнира

На гидравлическом прессе фирмы "Закк и Киссельбах" с 1984 г. изготовляют поковки обойм наружного и внутреннего шарниров за одну операцию. Существенный недостаток технологического процесса — отсутствие в поковках отверстия под шлицевой вал (его приходится сверлить), а также низкая стойкость формообразующих матриц (не более 4000 поковок).

Эти недостатки были исключены при ос­воении полугорячей штамповки поковок обоймы наружного шарнира для автомобиля ВАЗ-2110 на прессе фирмы "Шулер" силой 6,3 МН. Поковки изготовляют с отверстием за четыре перехода. Внедрение этого процес­са позволило снизить расход металлопроката, а также увеличить стойкость формообразую­щих матриц (до 20 000 поковок).

Для смазывания и охлаждения штам­па используют смазочно-охлаждающую жидкость "Дельта-79" фирмы "Ачесон", раз­веденную водой в соотношении 1:3, мате­риал заготовок — сталь 20ХГНМ, темпера­тура нагрева заготовок перед штамповкой — 820 ± 20 °С.

Характерная особенность изготовления поковок обойм наружного шарнира — ми­нимальные припуски на механическую об­работку (например, припуски на обработку дорожек — не более 0,3 мм). Допуск на из­готовление матриц и пуансонов для штам­повки поковок составляет 0,05 мм, что дос­тигается применением высокоточного обо­рудования в цехе производства оснастки. Схема деформирования поковки приведена на рисунке.

В настоящее время активно ведется ра­бота по освоению штамповки поковок обой­мы внутреннего шарнира для автомобиля ВАЗ-2108. Эта задача более сложная, так как данная поковка отличается от освоенной поковки обоймы наружного шарнира для ВАЗ-2110 формой дорожек и для ее изготов­ления требуется более точная работа пере­кладчика [2].

Список использованной литературы

1. Специальные технологии штамповки // URL: http://metallicheckiy-portal.ru/articles/obrabotka/shtampovka.

2. Прудко О. Г. Полугорячая объемная штамповка в металлургическом производстве ОАО «АвтоВАЗ» // Кузнечно-штамповочное производство/Обработка металлов давлением. 2006. №1. С. 14-15.

Дата добавления: 2015-08-17