Справочник технолога-машиностроителя
Глава 3. ЗАГОТОВКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Горячая штамповка выполняется на моло­тах и прессах в открытых и закрытых штам­пах, выдавливанием, гибкой, с применением различных процессов. С целью повышения точности размеров и улучшения качества по­верхности штамповок применяют полугоря­чую штамповку, при которой ограничено окалинообразование.

Краткая характеристика основных спосо­бов горячей штамповки приведена в табл. 21. Горячая штамповка выполняется по двум схе­мам: в открытых и закрытых штампах (рис. 18). При штамповке в закрытых штампах по­лучают более точные штампованные заготов­ки, меньше расходуют металл; производи­тельность высокая при пониженной стойкости штампов и ограниченности форм штамповок (круглые, типа шестерен, фланцев, стаканов). Штамповку в закрытых штампах иначе назы­вают безоблойной.

Штамповка в открытых штампах на моло­тах в зависимости от расположения заготовки в окончательном ручье бывает двух видов: в торец и плашмя (рис. 19).

Штамповку на молотах выполняют из ка­таной заготовки за один переход для загото­вок простой формы и за несколько перехо­дов — для заготовок сложной формы. В штам­пах различают: штамповочные (окончательный и предварительный), заготовительные и отрубные ручьи. Окончательный ручей выполняют с учетом усадки металла при охла­ждении (усадка стали ≈ 1,5%). По периметру окончательного ручья конструируют заусенечную канавку, создающую препятствие выходу металла из полости и обеспечивающую запол­нение окончательного ручья.

Заготовительные ручьи служат для получе­ния благоприятной формы заготовки для штамповки с малым отходом металла в заусе­нец. Обрезка заусенца выполняется на обрезных и кривошипных прессах. Крупные и средние заготовки с относительно толстым заусенцем обрезают после штамповки в горя­чем состоянии. Мелкие поковки с тонким за­усенцем легко обрезают в холодном состоя­нии. Производительность холодной обрезки выше, чем горячей. Одновременно с обрезкой заусенца часто выполняют частичную зачистку по штамповочному уклону.

Торцовый заусенец, возникающий при штамповке в закрытых штампах, а также не­ровности среза при обрезке удаляют на точилъно-обдирочных станках.

Для отверстий при штамповке получают в заготовке углубления — наметки, которые затем прошивают. При штамповке на моло­тах и прессах после прошивки наметок диа­метр отверстия d ≥ H, но не менее 30 мм.

При штамповке в закрытых штампах на молотах используют штучную заготовку, рас­считываемую по объему штампованной заго­товки с учетом отхода на угар при нагреве.

Штамповка в открытых штампах на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) обеспечивает изготовление относи­тельно точных поковок без сдвига в плоскости разъема, с малыми припусками и с повышен­ной по сравнению с молотами производитель­ностью. Типовые заготовки, полученные штамповкой на прессах, приведены на рис. 20.

При штамповке шатунов, турбинных лопа­ток и других сложных деталей заготовку под­готовляют на ковочных вальцах (вместо под­катки и протяжки на молотах), высадкой на горизонтально-ковочных машинах, или приме­няют периодический прокат.

Штамповку в открытых штампах на бин­товых фрикционных прессах применяют для изготовления мелких фасонных заготовок и заготовок типа болтов и заклепок только в одном ручье из-за недостаточного направле­ния ползуна. На прессах с точным направле­нием ползуна можно выполнять многоручье­вую штамповку.

Штамповку в открытых штампах на ги­дравлических прессах выполняют в одном ручье, центр давления которого расположен в центре давления пресса. Этим устраняется возможность сдвига штампа. Распространена штамповка из алюминиевых и магниевых сплавов деталей больших размеров типа пане­лей, рам, узких и длинных поковок типа балок и лонжеронов (длиной до 8 м), стаканов, втулок (рис. 21), из стали и титана штампуют поковки типа дисков. При изготовлении сложных поковок заготовку перед штампов­кой подготовляют путем ковки.

Штамповку на гидропрессах в закрытых штампах с неразъемной матрицей наиболее часто используют для изготовления точных, без штамповых уклонов заготовок из алюми­ниевых и магниевых сплавов. Штампы в этом случае нагревают. Штамповку с разъемной матрицей применяют для изготовления мел­ких, средних и крупных поковок из черных и цветных металлов и сплавов. Разъем ма­триц — вертикальный, иногда — горизон­тальный.

Штамповка в закрытых штампах на криво­шипных горячештамповочных прессах (КГШП) в неразъемных матрицах достигается применением более точных заготовок, более точной дозировкой металла, применением обычной заготовки и компенсирующего устройства в штампах для размещения излиш­ка металла (5 — 10% объема заготовки). Точ­ная дозировка металла для штамповки связа­на с дополнительными затратами из-за более сложного инструмента и меньшей производи­тельности при отрезке. Штамповку в закры­тых штампах с разъемной матрицей выпол­няют обычно с компенсаторами для выхода лишнего металла; матрицы имеют горизон­тальный разъем. Такие штампы используют для изготовления  поковок типа  крестовин.

Штамповку на фрикционных прессах в за­крытых штампах с разъемной матрицей при­меняют для получения мелких заготовок с несимметричными отростками из стали и цветных металлов и их сплавов. Разъем ма­трицы обычно вертикальный.

Горячей штамповкой выдавливанием обыч­но на КГШП получают заготовки типа стерж­ня с утолщением; стержни постоянного и переменного сечения, сложной формы, с цен­тральным и эксцентричным расположением головки относительно оси; с головкой неслож­ной осесимметричной формы (тарельчатые, шарообразные, ступенчатые, фланцевые, ко­нусные); с головкой сложной формы и типа развилин; заготовки типа крестовин или с двусторонними утолщениями и др. (рис. 22), На рис. 23 приведены схемы выдавливания. В большинстве случаев по поперечным разме­рам после выдавливания заготовки имеют припуски под шлифование.

В зависимости от формы и объема исход­ной заготовки, выбранного технологического процесса при выдавливании получают заго­товки без заусенца, с торцовым заусенцем, с поперечным заусенцем и с поперечным и торцовым заусенцами, которые затем уда­ляют. Припуски и допуски определяют по табл. 22.

Штамповку на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) выполняют в штампах с дву­мя плоскостями разъема: одна — перпендику­лярна оси заготовки между матрицей и пуан­соном, вторая — вдоль оси, разделяет матрицу на неподвижную и подвижную половины, обеспечивающие зажим штампуемой заготовки. На ГКМ штампуют поковки (рис. 24) типа стержней с утолщениями, с глухим отвер­стием, трубчатые, с полым утолщением и стержнем. Благодаря осевому разъему ма­триц уклон в участках зажатия на поковках не требуется.

При высокоскоростной штамповке скорость деформирующего инструмента достигает де­сятков метров в секунду (на обычных штампо­вочных молотах до 6 —7 м/с).

Высокоскоростная штамповка позволяет изготовлять заготовки сложных форм с тонки­ми стенками и ребрами и малыми радиусами закругления, уменьшать припуски на после­дующую механическую обработку, получать заготовки с высокими механическими свой­ствами, максимально приближенные к форме и размерам готовой детали.

Штамповки изготовляют из труднодеформируемых металлов и сплавов, алюминия, ме­ди, различных сталей и высокопрочных спла­вов с минимальными штамповочными уклона­ми и без них. Высокоскоростной штамповкой изготовляют штампованные заготовки типа стержня с головкой, с утолщением типа флан­ца, турбинные и компрессорные лопатки, типа стакана (гладкие и ступенчатые), типа крышек и колец, трубчатые, типа стержней с ребрами, стакана с наружными ребрами, с торцовым оребрением, типа зубчатых колес, дисков с тонким полотном заготовки с отростками, сужающиеся в средней части (рис. 25). Стой­кость штампов в 4—5 и более раз ниже стой­кости штампов, используемых на обычных молотах.

Отделочные операции. Режим охлаждения и термической обработки штампованных заго­товок и поковок влияет на термические напря­жения; неодновременный переход через интер­вал фазовых превращений может привести к структурным напряжениям, которые сумми­руются с температурными и могут вызвать микро- и макротрещины.

Для снятия остаточных напряжений, пред­охранения от образования флокенов и раз­мельчения зерна применяют отжиг, а для вы­равнивания структуры по сечению применяют гомогенизационный отжиг. Полный отжиг происходит при нагреве до температуры Ас₃ + (30 ÷ 50)°С, выдержке и последующем медленном охлаждении. После ковки и горя­чей штамповки применяют также неполный отжиг, изотермический отжиг, нормализацию, светлый отжиг и другие виды термической обработки.

От окалины штампованные заготовки очи­щают травлением, галтовкой и дробеметной очисткой. Для заготовок из сталей применяют раствор соляной кислоты, для алюминиевых сплавов — раствор щелочи. После травления стальные штампованные заготовки промы­вают в растворе щелочи и в воде, заготовки из алюминиевых сплавов — в растворе азот­ной кислоты и в воде. Этот способ очистки самый качественный, но дорогой. Галтовку применяют для очистки мелких и средних по массе поковок простой формы (короткие вали­ки, зубчатые колеса). Дробеметную очистку используют для мелких и средних заготовок сложной формы. Качество поверхности при этом хорошее, но возможно закрытие трещин, которые затем трудно обнаружить

Заготовки при выталкивании из штампа, обрезке заусенца, прошивке отверстий и транспортировании могут искривляться. Правку осуществляют в холодном и реже — в горячем состоянии. Горячую правку после обрезки заусенца применяют для заготовок из высоколегированной или высокоуглеродистой стали, при холодной правке которых могут возникнуть трещины. Горячую правку выпол­няют в окончательном ручье, а для заготовок с отверстием ее проводят в специальном штампе. Холодной правке подвергают мелкие и средние по массе заготовки сложной формы. Из-за упругих деформаций при разгрузке не­льзя получить абсолютно неискривленные штампованные заготовки

Калибровку штампованных заготовок вы­полняют для повышения точности размеров, улучшения качества поверхности отдельных участков или всей заготовки и снижения коле­бания массы поковок. Применяют плоскост­ную и объемную калибровку, обеспечивая точ­ность 8 – 12-го квалитета и параметр шерохо­ватости поверхности Ra = 2,5 ÷ 0,32 мкм.

Плоскостную калибровку выполняют в хо­лодном состоянии на кривошипно-коленных прессах для получения точных вертикальных размеров на одном или нескольких участках поковки. Объемную калибровку применяют для получения точных размеров в разных на­правлениях, а при выдавливании избытка ме­талла в заусенец - для получения заготовок точной массы. Точность объемной калибровки ниже, чем плоскостной. Иногда применяют комбинированную калибровку - сначала объемную, а затем плоскостную. Объемную калибровку производят в холодном и горячем состояниях. Усилие объемной калибровки в 1,5—2 раза больше усилия плоскостной калибровки.

Технологичность конструкции штампован­ных заготовок. Поверхность разъема обычно выбирают так, чтобы она совпадала с двумя на­ибольшими размерами заготовки. Поверх­ность разъема штампа должна обеспечивать свободное удаление заготовки из штампа и контроль сдвига верхней части штампа относительно нижней после обрезки (рис. 26). Более глубокие полости при штамповке на молотах располагают в верхней части штам­па.

Кузнечные напуски регламентирует ГОСТ 7505—74. Их предусматривают для радиусов закругления поковок и уклонов; для отверстий диаметром менее 30 мм, для наметок под про­шивку отверстий.

Радиусы закруглений регламентированы ГОСТ 7505—74 в пределах 1 —8 мм и должны быть на 0,5—1 мм больше припуска на меха­ническую обработку. Внутренние радиусы должны быть в 3—4 раза больше наружных. Ра­диусы закругления поковок должны быть унифицированы При штамповке в закрытых штампах наружные радиусы в полости штам­па принимают r ≥ 0,1h (h — глубина приле­гающей полости); внутренние радиусы в поло­сти штампа R = (2,5 ÷ 3)r; для получения от­верстий делают плоскую наметку с раскосом, а иногда и глухую наметку.

Точность штампованных заготовок. Допу­ски размеров поковок I (повышенного) и II (нормального) классов точности, изгото­вляемых на различном кузнечно-прессовом оборудовании, приведены в табл. 23. Допу­скаются различные классы точности для раз­ных размеров одной и той же поковки. Ис­ходными данными для определения допусков является группа стали, масса и степень слож­ности поковки.

При использовании табл. 23 необходимо учитывать следующее. 1. Углеродистая сталь M1 содержит до 0,45% углерода и до 2% ле­гирующих элементов. 2. Допуски на внутрен­ние размеры поковок (в том числе и для от­верстий) необходимо устанавливать с обратным знаком. 3. Различают степени сложности поковок: С1, С2, СЗ, С4. Коэффи­циент С = Gп/Gф, где Gп и Gф - массы со­ответственно поковок и простой фигуры, в ко­торую вписывается поковка. Для поковок группы С1 коэффициент C = 0,63÷l; для группы С2 коэффициент С = 0,32÷0,63; для группы СЗ коэффициент С равен 0,16; 0,32; для группы С4 коэффициент С < 0,16. 4. Для размеров Н, d и D (рис. 27), обусловливающих недоштамповку и двусторонний износ штампов, применяют табличные допуски. Допуски на размеры L и l, обусловливающие одно­сторонний износ, составляют 0,5 табличного допуска; допуск на размер h, обусловливаю­щий односторонний износ штампов, устана­вливают из расчета ±0,5 табличного допуска, а на размер h₁ — табличные допуски, но с обратным знаком. Допуски на неогово­ренные размеры поковки устанавливают из расчета ± 0,7 допуска наибольшего размера поковки. Допустимые отклонения на межцен­тровое расстояние A необходимо принимать по табл. 24. В табл. 25 приведены данные о допустимых уклонах для поковок, полу­чаемых на молотах и ГКМ.

Для поковок обычной формы (типа тел вращения), получаемых на прессах, внешние α и внутренние β уклоны следующие:

Отклонения межцентровых расстояний от плоскостности и прямолинейности устанавли­вают в зависимости от номинального размера штампованных заготовок (см. табл. 24).

Дефекты штампованных заготовок. На­иболее характерные дефекты штампованных заготовок: вмятины; недоштамповка высту­пов, углов, скруглений и ребер; смещение по плоскости разъема; зажимы; повышенная кри­визна; отклонение от заданного допуска; утяжка (рис. 28); брак при термической обра­ботке и очистке от окалины. На всех этапах технологического процесса контролируют со­став материала, размеры, поверхностные де­фекты, режим нагрева и твердость, применяя просвечивание, ультразвук, вихревые токи и другие физические методы.

Стойкость штампов. В табл. 26 — 29 приве­дены данные о стойкости молотовых штампов и штампов горячештамповочных прессов. При безоблойной штамповке стойкость значитель­но ниже. Так, для закрытых молотовых штам­пов она составляет 1 - 5 тыс. заготовок.

Стойкость штампов высокоскоростных молотов — 2,5 — 4 тыс. заготовок при осадке и 1—2 тыс. заготовок — при выдавливании. Стойкость штампов кривошипных прессов ни­же, чем стойкость молотовых штампов, из-за меньшей скорости деформирования (для элек­тровысадочных машин 3—4 тыс. заготовок); при вальцовке она изменяется в широких пределах (3,5—30 тыс.) в зависимости от мате­риала штампа и детали, массы детали и др.

Стойкость бойков радиально-ковочной ма­шины—5—15 тыс. заготовок.

В табл. 30 приведены данные, характери­зующие область эффективного применения штамповки по сравнению с ковкой в зависи­мости от группы сложности и материала.

В табл. 31 приведены технико-экономиче­ские показатели изготовления 300 заготовок ступенчатых валов ковкой, точением и штам­повкой на вертикальной радиально-ковочной машине (ВРКМ).