Гаряче об'ємне штампування металу

§ 1. Сутність процесу гарячого об'ємного штампування

Об'ємне штампування - процес одержання кувань у штампах, при якому переміщення металу в сторони під час деформації обмежені поверхнями внутрішньої порожнини штампа.

Штампування в порівнянні з вільним куванням має ряд переваг:

1. висока продуктивність (в 50 - 100 разів);
2. однорідність і точність отриманих кувань (припуски в 3 - 4 рази менше);
3. висока якість поверхонь штампованих кувань;
4. можливість виготовлення кувань складної форми.

Об'ємне штампування має також і недоліки:

1. складність і висока вартість штампів;
2. обмеженість штампованих кувань по вазі (до 100 кг).

§ 2. Види штампів і способи штампування

Розрізняють об'ємне штампування у відкритих і закритих штампах.

У відкритих штампах між рухливою й нерухомою частинами штампа є зазор – облойна канавка, куди випливає зайвий обсяг металу заготівлі. Облой (або заусенец),що утвориться при цьому, потім відрізається.

У закритих штампах деформація металу відбувається в закритій порожнині. Штампування не супроводжується утворенням облоя, і в цьому випадку витрати метал менше, але пред'являються високі вимоги до точності обсягу заготівлі.

Штампування в закритих штампах забезпечують більший ступінь деформації, поліпшення мікроструктури й дає можливість штампувати малопластичні сплави.

Штампи являють собою бойки, у яких вирізують або виготовляють іншим способом форму необхідного кування. Штамп придатний для одержання кування одного профілю-розміру. Штампи виготовляють із легованих штампових сталей 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ, 4Х2В5МФ, і ін.

Гаряче штампування кувань простої форми здійснюють в однострумкових штампах.

Штамп складається із двох рознімних частин, які в зібраному виді утворять один струмок. Форма й розміри порожнини штампа відповідають формі й розмірам готового гарячого кування.

Кування складної форми виготовляють у багатострумових штампах з послідовним деформуванням заготівлі в декількох струмках з поступовим наближенням до кінцевої форми кування.

Струмки штампів розділяють на заготівельні й штампувальні.

Заготівельні струмки призначені для підготовки виробу до наступного штампування. У них виконують: осідання - на рівній площадці штампа; протягання - зміна частини заготівлі; подкатку - місцеве збільшення перетину заготівлі за рахунок зменшення сусідніх ділянок; пережим - зчавлювання заготівлі; формування - для надання заготівлі форми, наближеної до кування; згинання й ін.

Штампувальні струмки бувають чорнові (попередні) і чистові (остаточні).

Чорновий струмок не має канавки для облоя і його призначення - захистити чистовий струмок від зношування. Форма чистового струмка така ж, як і в чистового, але з більшими радіусами закруглень і штампувальних ухилів.

Чистовий струмок це точна копія кування, але з розмірами більшими на величину усадки при остиганні (близько 1,5%). По периметрі чистового струмка розміщається канавка для облоя, призначення якої - перешкоджати вільному витисненню металу й створити в порожнині штампа високий тиск і полегшити обрізання облоя.

§ 3. Устаткування для об'ємного штампування

Гаряче об'ємне штампування здійснюється на штампувальних молотах, пресах, горизонтально-кувальних машинах і спеціальних машинах вузького призначення.

Штампувальні молоти використаються для штампування кувань різної форми в основному в багатострумових відкритих штампах. Основним типом таких молотів є пароповітряні штампувальні молоти з масою падаючих частин 0,63 - 16 т, рідше застосовуються фрикційні молоти з масою падаючих частин 0,5 - 15 т.

Пароповітряні штампувальні молоти розрізняють простої й подвійної дії. Ці молоти відрізняються від кувальних молотів конструкцією станини й шабота, але вони забезпечують більшу точність переміщення частин штампів. Для точного збігу положення верхньої половини штампа, прикріпленої до довбні, щодо нижньої, що зміцнює на штампотримачі ліву й праву стойки станини молота монтують на шаботі й установлюють на доном фундаменті. Крім того, штампувальні молоти мають  більш зроблені напрямні, що прикріплюють до стійок, для забезпечення строго певного напрямку руху довбні по всій довжині робочого ходу. Для нормальної роботи штампувального молота необхідно, щоб маса шабота була в 20 - 30 разів більше маси падаючих частин.

Застосовують також бесшаботні пароповітряні штампувальні молоти. У цих молотів замість важких шаботів є дві довбні (верхня й нижня), які при роботі рухаються назустріч один одному по напрямним загальної станини. На нижній довбні встановлюють нижню половину штампа із заготівлею, верхня половина штампа кріпиться до верхньої довбні. Штампування відбувається при зіткненні обох довбень. Привод у бесшаботних молотів паровий або повітряний. Число ударів  - 6 - 20 в хв.

Застосовуються також молоти гідравлічні й фрикційні з дошкою.

Штампування на молотах здійснюються як правило, за 3 - 5 ударів. Наприкінці останнього удару обидві частини штампа стикуються по площині рознімання. Середня маса кувань при масі падаючих частин 1000 кг становить 0,5 - 5 кг, при 10 000 кг - 40 - 100 кг.

Штампувальні преси застосовують гвинтові фрикційні, гідравлічні й кривошипні.

Гвинтові фрикційні преси  застосовують для штампування у відкритих і закритих штампах невеликих кувань (до 20 кг) і використаються в дрібносерійному виробництві.

Гідравлічні преси для штампування аналогічні кувальним гідравлічним пресам, але мають більше жорстку конструкцію й виштовхувачі  для видалення кувань зі штампа. На цих пресах штампують головним чином великі кування (масою 100 - 350 кг)  у відкритих і закритих штампах з однієї або декількома площинами рознімання.

Кривошипні кувальноштампові преси ставляться до числа найбільш прогресивних кувальних машин. Впровадження кривошипних пресів забезпечує підвищення продуктивності штампування в 1, 5 - 2 рази в порівнянні зі штампуванням на молотах, економію металу - прокату, застосовуваного у вигляді заготівель на 10 - 30%, а штампування в закритих штампах скорочують виробничий цикл (тобто зменшує число операцій). Виготовлення кувань на цих пресах з найменшими припусками на механічну обробку дозволяє на 15 - 30% заощадити час на їхню наступну обробку в механічних цехах.

Робочий орган преса - повзун, що несе верхню частину інструмента (штампа), приводиться у зворотно-поступальний рух за допомогою кривошипно-шатунного механізму.

На відміну від молотів кривошипні преси мають твердий графік руху повзуна. Повний хід (шлях) повзуна дорівнює подвоєному радіусу кривошипа. Кожному куту повороту кривошипного вала відповідає певне положення повзуна й певна його швидкість, що у крайніх точках (угорі й унизу) дорівнює 0.

Кривошипні преси для гарячого штампування мають високу твердість конструкції, що необхідна для зниження пружних деформацій і одержання найбільш точних  розмірів кувань. Прес має виштовхувачі в столі й повзуні для автоматичного видалення кувань зі штампа.

До недоліків таких пресів відноситься:

1. необхідність точного визначення маси заготівель;
2. вимоги відсутності окалини на заготівлях;
3. вартість в 3 - 4 рази більше , ніж молотів.

Горизонтально-кувальні машини застосовуються для гарячого висадження різних деталей (типу стрижня зі стовщенням, з наскрізним отвором, із глухою порожниною, а також складної конфігурації) із пруткового матеріалу або із труб у багатострумових штампах. Конструкція штампів дозволяє здійснювати також пробивання отворів, обрізку по контуру, відрізку від прутка. ГКМ розрізняють із розніманням матриць у вертикальній і горизонтальній площинах. Дві площини рознімання  складаються з 3 частин: нерухомої й рухливої матриць і пуансона.

Подвійна площина рознімання штампів дає можливість штампувати більшість кувань без штампувальних ухилів і облоя. Заготівлю (пруток) установлюють у нерухому матрицю до упору. Головний повзун з пуансоном приводиться в рух від кривошипно-шатунного механізму. Перш ніж пуансон стикнеться з торцем заготівлі, рухлива матриця притискає її до нерухомої матриці, а упор приділяється убік. Повзун з нерухомою матрицею переміщається від бічного повзуна , що у свою чергу, приводиться в рух від кулачків, закріплених на головному валу.

Вихідним матеріалом для штампування на ГКМ служить круглий, рідше квадратний або прямокутний прокат підвищеної точності, діаметром до 270 мм і масою до 100 кг.

ГКМ виготовляють із зусиллям 100 - 3150 т і числом ходів 95 - 21 у хвилину. Продуктивність висока - 400 - 900 кувань  у годину.

§ 4. Технологічний процес гарячого об'ємного штампування

Складається з наступних операцій:

1. різання вихідного матеріалу на заготівлі мірної довжини;
2. нагрівання заготівель;
3. штампування заготівель;
4. обробки кувань.

Основними документами регламентуючими тех. процес штампування, є креслення кування й технологічна карта.

Штампи виготовляються по кресленню кування з урахуванням коефіцієнта температурного розширення. Розміри кування визначають по кресленню готової деталі з урахуванням припусків на наступну мех. обробку, напусків для спрощення нетехнологічних елементів кування й одержання штампувальних ухилів, а також допусків на штампування згідно Дст.

Після складання креслення кування визначають переходи й розбивають креслення штампів на штампування й обрізку облоя кування.

Для вільного добування кування зі штампа при штампуванні на молотах передбачають ухили вертикальних поверхонь: зовнішніх - 5 - 7 º; при штампуванні на пресах з виштовхувачами в повзуну й столі ухили становлять - 1 - 3 º.

По кресленню кування визначають форму й розміри вихідної заготівлі. Як заготівля застосовують круглий, квадратний, прямокутний і фасоний періодичний прокат і ін. заготівлі.

Потім розробляють технологічну карту. У карті вказують вихідний матеріал (марка стали, профіль, перетин), відходи (масу, розміри), розміри заготівлі, витрата металу на одне кування, операції й переходи штампування, устаткування, штампи, інструмент, пристосування, температурні режими, норми часу й ін. дані.

Технологічний процес виготовлення кувань починається з різання заготівель на мірні довжини.

Після цього заготівлі нагрівають у камерних або методичних печах до заданої температури. Перед подачею до преса або молота із заготівель видаляють окалину.

Потім заготівлі піддають штампуванню в одно- або багатострумових штампах залежно від конфігурації й розмірів кування, а також наявного встаткування.

При обробці кувань після гарячого об'ємного штампування роблять обрізку облоя, просічку отворів (видалення плівок), виправлення, термічну обробку й очищення від окалини.

При облойному штампуванню на молотах і пресах облой видаляють на кривошипних або ексцентрикових пресах із застосуванням обрізних штампів. Якщо штампують кування з наскрізними отворами, то в отворах утворяться внутрішній облой - плівка металу, що також видаляють.

Після обрізки облоя кування правлять у спеціальних або чистових штампах на молотах або пресах.

Далі кування піддають термічній обробці й очищенню від окалини. Окалину з кування видаляють у піскоструминні або шротометних апаратах, травленням у розчинах кислот, в обертових барабанах.

Для одержання кувань із точними розмірами й чистою поверхнею застосовують калібрування й карбування.

Вихід придатного при гарячому об'ємному штампуванні становить 72 - 80%, а видатковий коефіцієнт 1,4 - 1,25. Коефіцієнт використання металу 0,5 - 0,55.