Контрольная работа по "Материаловедению"

К недостаткам  горячей объемной штамповки относятся:

1. ограничения по массе получаемых поковок;
2. дополнительный отход металла в заусенец, масса которого составляет от 10 до 30 % от массы поковки;
3. для горячей объемной штамповки требуются большие усилия деформирования, чем для ковки; инструмент (штамп) является более сложным и дорогим, чем универсальный инструмент для ковки.

Горячая объемная штамповка подразделяется на различные  виды в зависимости от типов штампа, оборудования, исходной заготовки, способа  установки заготовки в штампе и т. п. Остановимся только на факторах, которые определяют конфигурацию поковки и точность ее изготовления, т. е. на типах штампов и оборудования.

В зависимости  от оборудования имеются следующие  виды объемной штамповки: на штамповочных паровоздушных молотах двойного действия, кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП), горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), гидравлических прессах, высокоскоростных молотах и на специальных машинах (ковочные вальцы, горизонтально-гибочные машины — бульдозеры, ротационно-обжимные и радиально-обжимные машины, электровысадочные машины, раскатные машины).

Для изготовления одних и тех же деталей применяют  различное оборудование, при этом можно значительно изменять конфигурацию поковки, размеры припуска и допуска, напуски и точность изготовления.

В зависимости  от типа штампа горячая объемная штамповка подразделяется на следующие виды: в открытых штампах (рисунок 3.4, а), в закрытых штампах (рисунок 3.4, б), в штампах для выдавливания.

Перечисленные типы штампов применяют при штамповке  на всех типах оборудования. Вид штампа определяет течение металла, т. е. конфигурацию поковки, поэтому данную классификацию штамповки можно считать основной.

Штамповка в  открытых штампах характеризуется  тем, что штамп в процессе деформирования остается открытым (рисунок 3.4, а). Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа является переменным, в него затекает (выдавливается) металл при деформировании, образуя заусенец, т. е. технологический припуск, размеры которого рассчитывают при проектировании технологии в зависимости от размеров поковки. Основное назначение этого заусенца — компенсация колебаний исходных заготовок по массе.

Этот тип  штампа можно применять для деталей  любой конфигурации. Однако наличие  заусенца увеличивает расход металла, кроме того, для обрезки заусенца необходимо применение специальных обрезных прессов и штампов.

При штамповке  в закрытых штампах штамп в  процессе деформирования остается закрытым, т. е. металл деформируется в закрытом пространстве (рисунок 3.4, б). Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа в процессе деформирования остается постоянным и незначительным по размеру — он только предохраняет штамп от заклинивания. Отсутствие заусенца сокращает расход металла, отпадает необходимость в обрезных прессе и инструменте. Однако этот тип штампа применяется для сравнительно простых деталей, в основном тел вращения. Кроме того, отсутствие заусенца вызывает необходимость использовать точные заготовки из калиброванного проката или предварительно механически обработанные.

Рисунок 3.4 –  открытая и закрытая штамповка.

Сопоставляя качество макроструктуры поковок, отштампованных в открытых и закрытых штампах, необходимо отметить, что при закрытой штамповке  макроструктура более качественная, так как процесс образования  поковки в полости штампа протекает  без нарушения сплошности волокон, при обрезке заусенца после открытой штамповки волокна оказываются перерезанными, что снижает прочность детали (рисунок 3.5).

Штамповка в  штампах для выдавливания — наиболее прогрессивный технологический  процесс горячей штамповки. При использовании штампов для выдавливания значительно снижается расход металла (до 30%), повышается коэффициент весовой точности, поковки получаются точные, максимально приближающиеся по форме и размерам к готовым деталям, производительность труда увеличивается в 1,5-2,0 раза.

Рисунок 3.5 - схемы  расположения волокон при открытой и закрытой штамповке.

Для выдавливания наиболее целесообразны следующие  типы поковок: стержень с фланцем, клапаны  двигателей, полые детали типа стаканов и т. п. Схемы штамповки в штампах для выдавливания приведены на рисунке 3.6, где стрелками указано течение металла. Этим способом можно получать детали из углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов.

Рисунок 3.6 - схемы штамповки в штампах для выдавливания.

На рисунке 3.7 представлены эскизы поковок, получаемых штамповкой на молоте (а) и выдавливанием (б). Из сравнения эскизов видно, что в данном случае выдавливание более эффективно, чем штамповка.

Рисунок 3.7 - эскизы поковок, получаемых штамповкой на молоте (а) и выдавливанием (б).

Поковки, изготовленные  выдавливанием, имеют высокое качество поверхности, плотную микроструктуру. Точность поковок может соответствовать 12-му квалитету, пределы допусков на размеры +1,0…-0,5. Это достигается  в результате тщательной подготовки исходных заготовок под штамповку, а также высокой точности изготовления и наладки штампов, использованием специальных смазочных материалов.

Основное преимущество выдавливания перед штамповкой в  открытых штампах — получение  поковок с точными размерами и чистой поверхностью. Основные недостатки — высокие удельные усилия деформирования, большие энергозатраты на реализацию процесса и низкая стойкость штамповой оснастки.

На конфигурацию поковок, получаемых горячей объемной штамповкой, на их точность, объем последующей механической обработки и себестоимость большое влияние оказывает не только тип штампа, но и вид применяемого оборудования.

Разница в принципе воздействия этих машин на деформируемый  материал является определяющей. Ударный характер работы штамповочного молота исключает возможность использования выталкивателей, что приводит к значительному расходу металла на штамповочные уклоны и компенсацию возможного смещения половин штампа относительно друг друга. Производительность труда при штамповке на молотах невысокая, процесс трудно поддается комплексной автоматизации.

Штамповка на кривошипных  горячештамповочных прессах имеет  ряд технологических и эксплуатационных преимуществ по сравнению со штамповкой на молотах. К ним относятся:

1. форма поковки более близка к форме готовой детали;
2. высокая точность поковок (особенно по высоте);
3. при штамповке на молоте пределы допусков 0,8-1,0 мм, а при штамповке на КГШП — 0,2-0,5 мм;
4. существенная экономия металла и сокращение объема механической обработки за счет снижения припусков (в среднем на 20-30 %) и штамповочных уклонов (в два-три раза);
5. повышение производительности труда в среднем в 1,4 раза;
6. возможность полной автоматизации процесса;
7. КПД прессов в три раза выше, чем у молотов;
8. снижение себестоимости изготовления поковок примерно на 10-30 %.

Штамповку на молотах  в основном применяют в серийном и крупносерийном производствах  поковок массой 0,01-1000 кг, штамповка  на КГШП наиболее целесообразна при  крупносерийном и массовом производствах  деталей сложной формы массой до нескольких сот килограммов.

Особенность конструкции  гидравлических прессов обеспечивает неударный характер приложения нагрузки, поэтому они значительно тихоходнее, дороже и менее производительны, чем штамповочные молоты. Гидравлические прессы вместо штамповочных молотов применяют только там, где не может быть использован молот — при штамповке крупных штамповок, для которых масса падающих частей самых мощных молотов оказывается недостаточной; малопластичных сплавов, не допускающих больших скоростей деформирования; выдавливанием, где требуется большой ход рабочего инструмента; поковок цилиндрической формы типа втулок, стаканов и очень сложных форм в разъемных матрицах.

Применение  разъемных матриц позволяет получать поковки, по форме и размерам приближающиеся к конфигурации готовых деталей, без заусенца и штамповочных уклонов. Точность размеров таких поковок может достигать 11-го 12-го квалитетов. Коэффициент использования металла увеличивается с 0,2 до 0,6, трудоемкость механической обработки уменьшается на 15-20 % .

Фрикционные винтовые прессы по принципу воздействия на деформируемый металл занимают промежуточное  положение между прессом и  молотом. Их применяют для мелких и средних поковок типа колпачков  и стаканчиков, типа стержня с  утолщением, например винты и болты, а также для штамповки сложных поковок, требующих разъемных матриц, в частности корпусов вентилей, тройников деталей трубопроводов.

На фрикционных  прессах штампуют поковки из черных и из цветных металлов, преимущественно  малопластичных, медных и магниевых сплавов. Винтовые фрикционные прессы — тихоходные малопроизводительные машины, поэтому их применение ограничено при крупносерийном производстве.

Кривошипные горячештамповочные и винтовые прессы применяют для  получения точных поковок шестерен с готовым профилем зуба. Освоены и внедрены в производство технологические процессы штамповки шестерен с прямым и спиральным профилем зуба, с модулем 5 мм и выше.

Штамповку конических и цилиндрических шестерен с готовым  профилем зуба применяют для получения: готовых шестерен без последующей механической обработки по зубу с параметром шероховатости поверхности Rz = 40 н- 20 мкм, применяемых в сельхозмашиностроении, угольной промышленности и т. д., шестерен с готовым профилем зуба, требующим только чистовой обработки. Припуск по профилю зуба принимают равным 0,6 мм на сторону, а по наружному конусу или диаметру цилиндрической шестерни — 1,5 мм на сторону.

Штампованные  шестерни с готовым профилем зуба имеют ряд преимуществ перед  шестернями, изготавливаемыми механической обработкой:

статическая прочность  таких шестерен в среднем на 50 % выше обычных, так как у штампованных зубьев волокна металла расположены  вдоль контура зуба, а у фрезерованных  зубьев они перерезаны; это увеличение прочности зубьев позволяет снизить массу и удешевить стоимость машины путем снижения габаритных размеров или замены легированных сталей обычными конструкционными;

значительно снижаются  расход металла (в среднем на 25-45 %) и общая трудоемкость изготовления шестерен.

Широкое применение для горячей объемной штамповки, особенно для операций высадки, получили горизонтально- ковочные машины (ГКМ), представляющие собой механический пресс, расположенный в горизонтальной плоскости. Кроме главного деформирующего ползуна имеется ползун, движение которого перпендикулярно к движению главного ползуна, осуществляющего смыкание и размыкание блока матриц.

В отличие от штампов молотовых и прессовых  штампы для ГКМ имеют два взаимно  перпендикулярных разъема и могут  быть открытыми и закрытыми. Наличие двух разъемов в штампе создает лучшие условия для выполнения высадочных работ и позволяет получать поковки, как правило, без штамповочных уклонов.

Скорость деформирования металла при горячей штамповке  на горячештамповочных кривошипных  прессах 0,3-0,6 м/с, на молотах 5-7 м/с, на специальных  машинах, предназначенных для скоростного  деформирования металла, м/с и выше.

При высоких  скоростях деформирования металл становится значительно пластичнее, податливее и при штамповке поковок ручей штампа хорошо заполняется. Чистота поверхности поковок достигает 4-5-го класса. Штамповка, как правило, производится за один удар со штамповочными уклонами, не превышающими 0,5°.

Штамповка поковок  с высокими скоростями деформирования металла имеет следующие основные преимущества перед обычными методами.

Высокая точность штампованных поковок (4-5-й классы) позволяет  сократить их механическую обработку  на 60-75 % и приблизить их по форме и размерам к окончательно изготовляемым деталям. Для поковок, полученных методом скоростного деформирования, основной технологической операцией в механическом цехе является шлифовка (рисунок 3.8).

Кроме алюминиевых  сплавов АК6, АК8, В95, АВ, АМгЗ, сталей углеродистых, легированных, конструкционных и инструментальных, штампуемых обычным методом, можно штамповать поковки из труднодеформируемых металлов и сплавов: титановых сплавов ВТ-1, ВТЗ-1, ВТ-5, жаропрочных сталей ЭИ417, ЭИ481, ЭИ654, ЭИ696, сплавов, полученных на основе ниобия, молибдена, вольфрама и т. д.

Рисунок 3.8 –  детали, получаемые с помощью метода скоростного деформирования.

Значительно снижается  расход металла, так как штамповка  производится в закрытом штампе и  с меньшими (в 5-10 раз) штамповочными уклонами, чем при обычной штамповке. Снижается расход металла и трудоемкость изготовления штампов, так как штамповка производится в основном за один удар в одном ручье вместо двух—четырех при обычных методах изготовления поковок.

Масса машины для скоростного деформирования в 10 раз меньше массы эквивалентного парового штамповочного молота. Это объясняется тем, что в машинах отсутствуют дорогостоящие тяжелые фундаменты, металлоемкие узлы и детали (шабот, баба и т. д.), не требуются котельная и промразводки.

К недостаткам  штамповки методом высокоскоростного  деформирования металла следует  отнести невысокие стойкость  штампов (не превышающую 1500 шт.) и производительность оборудования (до 150 шт./ч).