Разработка технологии горячей объемной штамповки шестерни привода насоса

Курсовая работа

на курсовую работу по дисциплине «Технология конструкционных материалов».

«Обработка металлов давлением».

Кафедра «Технология машиностроения».

Тема курсовой работы: «Разработка технологии горячей объемной штамповки хвостовика».

1. Исходные данные:

  • а) рабочий чертеж детали;
  • б) марка стали и механические свойства, предъявляемые к детали, 40X;
  • в) вид штамповки — открытая штамповка;
  • г) вид деформирующего оборудования — молот.

2. Графическая работа (формат А 1).

3. Пояснительная записка (объемом 20-30 с).

4. График выполнения курсовой работы.

Наименование этапов, разделов работы

Срок выполнения (неделя)

1.

Получение задания на курсовую работу

5-6

2.

Написание пояснительной записки

6-14

2.1

Сущность обработки металлов давлением, в т.ч. горячей объемной штамповки

6-8

2.2

Характеристика материала поковки

7-8

2.3

Расчет поковки и исходной заготовки

9-10

2.4

Выбор типа оборудования для штамповки и обрезки

11-12

2.5

Описание технологического процесса

13-14

2.6

Устройство и принцип вспомогательного оборудования (очистки от окалины)

13-14

2.7

Дефекты в поковках

14

3.

Выполнение графической части (на формате листа А 1)

13-14

3.1

Чертеж поковки (на формате A 3)

11

3.2

Маршрутная блок-схема (на формате A 3)

12

3.3

Карта эскизов (на формате А 2)

12

4.

Сдача пояснительной записки и чертежей на проверку

15

5.

Защита курсовой работы

15-16

Реферат

В данной курсовой работе всего: стр. 40,рис. 3, таблиц 6, использованных источников 5; чертежей-3 формата А 4.

Поковка, штамповка, пресс, заготовка, пластическая деформация, штамп, облой, припуски, штамповочные уклоны.

В курсовой работе рассмотрен метод получения заготовки горячая объемная штамповка для детали шестерня привода насоса. Также здесь дана характеристика используемой стали, произведен расчет поковки и разработана технологическая схема производства поковки.

Шестерня является разновидностью зубчатых колес. Зубчатые колеса используются для передачи крутящего момента. Принцип действия зубчатых передач основан на зацеплении пары зубчатых колес. Основные преимущества зубчатых передач: высокая нагрузочная способность и как следствие малые габариты; большая долговечность и надежность работы; высокий КПД (0,97-0,98), отсутствие проскальзывания, возможность применения в широком диапазоне скоростей и мощностей. Среди недостатков зубчатых колес можно отметить повышенную точность при изготовлении, шум при высоких скоростях, высокую жесткость сцепления. Однако преимущества превосходят недостатки, зубчатые колеса широко распространены.

Горячая объемная штамповка -, В качестве заготовок для горячей штамповки в подавляющем больши

Конфигурация поковок чрезвычайно разнообразна, в зависимости от нее поковки обычно подразделяют на группы. Например, штампованные поковки можно разделить на две группы: удлиненной формы, характеризующиеся большим, отношением длины к ширине , и круглые квадратные в плане.

1. Сущность метода получения заготовки

Заданный метод получения заготовки шестерни привода насоса, то есть горячая объемная штамповка, — это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки осуществляется с помощью специального инструмента. Обработка давлением — технологические процессы формоизменения без нарушения сплошности за счет пластической деформации в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил. Все расчеты размеров и формы тела при обработке давлением основаны на законе постоянства объема, суть которого заключается в том, что объем тела до и после пластической деформации принимается неизменным.

Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с обработкой резанием — возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократного приложения деформирующей силы можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов давлением способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением.

По мере совершенствования процессов обработки металлов давлением смогли получать изделия, шероховатость и точность размеров которых соответствовали достигаемым при токарной обработке, затем при фрезеровании и, наконец, при шлифовании, а в отдельных случаях и при полировании.

1.1 Пластическая деформация

Основным признаком обработки давлением является пластическая деформация обрабатываемого материала. В результате пластической деформации изменяются не только форма и размеры заготовки, но и свойства исходного металла.

Кроме пластических деформации могут быть упругими. Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Смещение одной части кристаллической решетки относительно другой происходит под действием касательных напряжений по особым кристаллографическим плоскостям , наиболее плотно упакованным атомами (плоскостям скольжения), за счет сдвига. В реальных металлах кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых облегчает скольжение. Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации.

При деформировании металла ударными нагрузками его пластическая деформация может развиваться также за счет двойникования. Оно сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части, относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

При вполне определенной для каждого металла максимальной пластической деформации в нем возникают микропоры и микротрещины, которые развиваются, растут и приводят к разрушению металла. Таким образом, для каждого металла существует предельно допустимая пластическая деформация, которая характеризует его пластические свойства. Как показывают исследования, последние зависят от условий нагружения (сжатия, растяжения), степени и скорости деформации и др.

На производстве большинство металлов и сплавов обрабатывают давлением в предварительно нагретом состоянии, поскольку с увеличением температуры пластичность металла увеличивается, а сопротивление сдвигу снижается. В зависимости от температуры обработки пластическая деформация может быть холодной, неполной горячей и горячей.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением или наклепом. Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

В отличие от холодной пластической деформации, при неполной горячей пластической деформации происходят частичное восстановление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле. Объясняется это некоторым повышением активности атомов, поскольку рассматриваемая деформация осуществляется при повышенной температуре — примерно при

Т = (0,25-0,3) Т пл ,

где Т пл температура плавления металла. Неполная горячая пластическая деформация приводит к получению неоднородной структуры, упрочнению металла и снижению пластичности, поэтому обычно нежелательна.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения. Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие деформирующие силы, а следовательно, менее мощное оборудование.

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной. Поэтому ее целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков).

В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

1.2 Выбор температуры горячей деформации

Все металлы и сплавы имеют тенденцию к увеличению пластичности и уменьшению сопротивления деформированию при повышении температуры в случае выполнения ряда требований, предъявляемых к процессу нагрева. Так, каждый металл должен быть нагрет до вполне определенной максимальной температуры. Максимальную температуру нагрева, т.е. температуру начала горячей обработки давлением, следует назначать такой, чтобы не было пережога и перегрева.

Пережог наступает, когда металл нагревают до температуры, близкой к температуре плавления. При этом происходит частичное оплавление по границам зерен и полная потеря пластичности. Ниже зоны температур пережога находится зона температур перегрева, когда резко увеличивается зерно, и механические свойства изделия, полученного обработкой давлением из перегретой заготовки, оказываются низкими.

Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения падает и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформирование нецелесообразно, так как в этом случае после деформирования зерна успевают вырасти, и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.

Каждый металл и сплав имеют свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Для углеродистых сталей температурный интервал нагрева можно определить по диаграмме состояния Fe-Fe 3 C. С увеличением содержания углерода этот интервал сужается. Начальную температуру горячей деформации выбирают в интервале между температурой кристаллизации и линией солидуса на диаграмме. Также эту температуру в °С можно определить по формуле:

t = 100 (9,1-1,1 % С),

где % С — процентное содержание углерода в стали.

Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой температуры. Разность температур по сечению заготовки приводит к тому, что вследствие теплового расширения между более нагретыми поверхностными слоями металла и менее нагретыми внутренними слоями возникают напряжения. Последние тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки, и могут возрасти настолько, что в центральной зоне с растягивающими напряжениями при низкой пластичности металла образуются трещины. Разность температур по сечению увеличивается с повышением скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева. Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из высоколегированных сталей из-за их более низкой теплопроводности.

Влияние температуры металла на практике нельзя рассматривать в отрыве от скоростных условий деформирования. Как следует из определения горячей деформации, скорость деформирования при ней должна обеспечить полное протекание процесса рекристаллизации, скорость которой зависит от температуры. С увеличением скорости деформации при постоянной температуре увеличивается влияние упрочнения над рекристаллизационным разупрочнением и давления при той же деформации возрастают.

Таким образом, оптимальный термический режим горячей деформации является важным фактором получения высокого качества поковок. Поэтому его разрабатывают для каждой стали с учетом исходной структуры металла, объема и соотношения размеров слитка и назначения поковки.

1.3 Основные виды обработки металла давлением

Применяют шесть основных видов обработки давлением: прокатку, прессование, волочение, ковку, объемную штамповку и листовую штамповку.

1) Деформацию металла с помощью вращающегося инструмента — валков — называют прокаткой. При этом заготовка под действием сил трения втягивается в зазор между валками, деформируется ими и приобретает требуемую форму поперечного сечения. В процессе прокатки площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Эту операцию осуществляют с помощью специальных машин, называемых прокатными станами.

Прокатка является наиболее высокопроизводительным видом обработки давлением, 75-80 % всей выплавляемой стали подвергается этому виду обработки давлением. Прокаткой изготовляют: блюмы квадратного сечения, слябы, квадратные и круглые профили, угловую сталь, швеллеры, балки, рельсы, трубы, листы, полосы, ленты и др. На специальных прокатных станах изготовляют заготовки переменного по длине сечения (периодический прокат), бандажи колес, шары, шестерни.

2) Сущность прессования заключается в выдавливании металла заготовки пуансоном из контейнера через матрицу, в которой имеется отверстие, по форме соответствующее требуемому профилю . Прессованием изготовляют простые и очень сложные, сплошные и пустотелые профили.

Этому виду обработки давлением подвергают в основном цветные металлы и сплавы, однако прессование можно применять при изготовлении профилей и заготовок деталей также из сталей и малопластичных специальных сплавов.

3) Проволоку диаметром от 16 мм до нескольких микрометров, высококачественные тонкостенные трубы диаметром 0,2-20 мм и другие пустотелые профили, калиброванные прутки из сталей, цветных металлов и сплавов различных марок получают волочением. Этот вид обработки давлением заключается в протягивании заготовки через отверстие в волоке . Исходной заготовкой для данной операции является, как правило, продукция прокатного производства. При волочении уменьшается площадь поперечного сечения заготовки и увеличивается ее длина. В процессе волочения достигаются точность размеров и шероховатость поверхности, соответствующие получаемым при обработке резанием, а за счет наклепа при холодной деформации повышается прочность изделия.

4) Ковка — это вид обработки давлением, при котором заготовка деформируется универсальным инструментом простой формы, например плоскими бойками. Нагретую до ковочной температуры заготовку устанавливают на нижний боек , а верхним бойком ее деформируют до нужных размеров. Для ковки характерно свободное или почти свободное течение металла в направлении, перпендикулярном движению инструмента.

Ковку применяют для изготовления фасонных поковок деталей машин практически из всех деформируемых сталей и сплавов массой от нескольких граммов до сотен тонн. Мелкие поковки изготовляют ручной ковкой, а средние и крупные — машинной.

5) Листовая штамповка характеризуется тем, что в качестве исходной заготовки используют лист, полосу или ленту, которую деформируют в специальном инструменте — штампе. Основными частями штампа являются пуансон и матрица . Штампы устанавливают, как правило, на кривошипных листоштамповочных и реже на гидравлических прессах различной мощности. Листовой штамповкой изготовляют достаточно точные и прочные детали машин или заготовки для них при минимальном расходе металла. В большинстве случаев штамповка выполняется без нагрева металла, поэтому полученная продукция отличается малой шероховатостью поверхности и повышенной прочностью. Процесс листовой штамповки легко автоматизируется — производительность листоштамповочных автоматов достигает нескольких сотен деталей в минуту.

6) Сущность объемной штамповки заключается в деформировании заготовки в полости между половинами штампа; эту полость металл заготовки заполняет при сближении половин. Форма полости штампа соответствует форме будущей поковки, что обеспечивает высокую точность последней. Исходной заготовкой служит, как правило, продукция, полученная прокаткой и разделенная предварительно на мерные части. Пользуясь этим видом обработки, изготовляют коленчатые валы, шестерни, турбинные лопатки, кронштейны и другие детали машин в массовом и серийном производстве.

Объемная штамповка может осуществляться посредством холодной и горячей деформации. Заданным методом получения заготовки детали шестерня первичного вала является горячая объемная штамповка, поэтому остановимся на этом методе подробнее.

1.4 Горячая объемная штамповка

1.4.1 Виды объемной штамповки

Горячая объемная штамповка отличается применением специализированного инструмента, называемого штампом. Штамп имеет две и большее число частей, при сопряжении которых образуется объемная полость по форме штампуемой поковки. Процесс объемной штамповки заключается в принудительном перераспределении металла заготовки, заполнении им полости штампа, называемой ручьем, приобретении его формы и размеров. Чем больше отношение глубины к ширине полости, тем большее давление должно быть приложено к металлу для ее заполнения. В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах.

Можно сказать, что наиболее распространенным способом является горячая штамповка в открытых штампах с образованием у поковок облоя, который образуется за счет некоторого количества избыточного металла. Термин «облой» происходит от старинного русского слова «обло», которое вначале означало след на литых деталях по месту стыка частей форм, а позднее — заусенец при штамповке.

Штамповку в закрытых штампах часто называют безоблойной штамповкой. Этот метод характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование облоя в нем не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя — выступ (на прессах), или наоборот (на молотах).

Закрытый штамп может иметь не одну, а две взаимно перпендикулярные плоскости разъема, т.е. состоять из трех частей. Сущность процесса состоит в том, что заготовка деформируется, находясь в полости одной части штампа, в которую входит, как в направляющую, другая его часть.

Штамповка открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор и вытекает облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл целиком заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высоких требований к точности заготовок по массе. Облой затем обрезается в специальных штампах. Штамповкой в открытых штампах можно получать поковки практически всех типов.

Схема технологического процесса штамповки в основном определяется конфигурацией и размером детали, которую необходимо получить.

Горячая объемная штамповка весьма широко применяется в автомобилестроении, вагоностроении и тепловозостроении, в производстве дорожных машин, сельскохозяйственных, швейных машин, станков, бурильного, слесарного, медицинского инструмента, летательных аппаратов и других отраслях. Например, такие детали автомобильного двигателя, как коленчатый вал, шатуны, рычаги рулевого управления и подвески, валы и зубчатые колеса коробки скоростей, получают с активным участием этого метода.

1.4.2 Технология изготовления поковки

Технологическим процессом горячей объемной штамповки называют совокупность действий, непосредственно связанных с изменением размеров и формы исходной заготовки от момента поступления металла в обработку до получения готовой поковки. Технологический процесс горячей объемной штамповки состоит из ряда операций.

Операцией называют законченную часть технологического процесса, включающую все переходы объемной штамповки, совершаемые за один нагрев независимо от количества используемых при этом кузнечных машин.

Общий технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следующих этапов: отрезки проката на мерные заготовки; нагрева; штамповки; обрезки облоя и пробивки отверстия; термической обработки; очистки поковок от окалины; правки; калибровки; контроля готовых поковок.

Разработку технологического процесса горячей объемной штамповки выполняют в следующем порядке. В первую очередь выбирают способ штамповки (с облоем или без) в зависимости от имеющегося оборудования серийности производства, формы, размеров и точности изготовления детали и других условий. Затем составляют чертеж поковки, форму и размеры заготовки, мощность оборудования и конструируют штамп. В зависимости от принятого способа нагрева, марки стали, размеров заготовки (при печном нагреве учитывается способ укладки заготовок на поду печи), назначают режим нагрева, то есть скорость нагрева, длительность выдержки при температуре горячей деформации, общее время нагрева заготовки. Затем назначают отделочные операции и оценивают технико-экономические показатели разработанного процесса.

Контроль качества необходим не только для готовых поковок, но и для условий их изготовления на всех этапах, начиная от получения исходных заготовок.

При контроле готовых поковок их осматривают, выборочно измеряют геометрические размеры, твердость. Размеры контролируют универсальными измерительными инструментами (штангенциркулями, штангенвысотомерами, штангенглубиномерами и др.) и специальными инструментами (скобами, шаблонами и контрольными приспособлениями).

Несколько поковок из партии иногда подвергают металлографическому анализу и механическим испытаниям. Внутренние дефекты в поковках определяют ультразвуковым методом контроля и рентгеновским просвечиванием.

1.4.3 Проектирование чертежа поковки

Составление чертежа поковки представляет собой ряд последовательных преобразований контура поковки в связи с назначением припусков, допусков и напусков. Уже на этой стадии проектирования решаются задачи оптимизации, так как необходимо установить наиболее выгодный вариант упрощения контура поковки при наименьшей ее массе. Чертеж горячей поковки, являющийся основой для проектирования и изготовления чистового ручья штампа, составляют с учетом теплового расширения металла.

Чертеж поковки составляют по чертежу детали. При разработке чертежа поковки в соответствии с ГОСТом определяют массу поковки, степень сложности, устанавливают класс точности ее изготовления, учитывают группу стали и конфигурацию поверхности разъема штампа, относя ее либо к плоской, либо к изогнутой. Особенно правильно выбрать поверхность разъема, т.е. поверхность, по которой соприкасаются между собой верхняя и нижняя половины штампа, необходимо при получении поковки в открытом штампе. Плоскость разъема должна быть выбрана такой, чтобы поковка свободно вынималась из штампа. В целях облегчения заполнения металлом полости штампа желательно выбрать плоскость разъема таким образом, чтобы полости штампов имели наименьшую глубину. горячая штамповка шестерня разработка

Припуски на механическую обработку назначают главным образом на сопрягаемые поверхности детали. Величина припуска зависит от габаритных размеров и массы поковки, от вида оборудования штамповки, требований к точности и шероховатости детали; припуск выбирают по ГОСТу. Допуски на штамповку назначают также по ГОСТу; допуски учитывают возможные отклонения от номинальных размеров вследствие недоштамповки по высоте, сдвига штампов, их износа и т.п.

Для облегчения заполнения полости штампа и извлечения из нее поковки боковые поверхности последней должны иметь штамповочные уклоны. Штамповочные уклоны назначают сверх припуска; они повышают отход металла при механической обработке и утяжеляют поковку. Уклон зависит от глубины и сложности полости, применяемого для штамповки оборудования и колеблется для стальных поковок в пределах 1-10°. Для наружных поверхностей поковки (вследствие температурной усадки) штамповочные уклоны принимают меньшими, чем для внутренних.

Все пересекающиеся поверхности поковки сопрягаются по радиусам. Это способствует лучшему заполнению полости штампа и плавному расположению волокон в поковке, предохраняет от образования зажимов и складок и от преждевременного износа и поломок штампа, так как уменьшают концентрацию напряжений. Радиусы закругления зависят от глубины полости. Внутренние радиусы R закругления в 3 раза больше, чем наружные радиусы r. Наружные радиусы закругления r составляют обычно 1-6 мм.

При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквозное отверстие в поковке, поэтому наносят только наметку отверстия с перемычкой-пленкой, удаляемой впоследствии в специальных штампах. Штамповкой не всегда можно получить полностью требуемую конфигурацию поковки, поэтому на отдельных участках поковок могут быть сделаны напуски, упрощающие форму. В частности, при диаметрах отверстия, меньших 30 мм, наметки в поковках не делают.

Изменив все размеры спроектированной поковки на величину усадки, получают чертеж горячей поковки, по которому изготовляют полость штампа.

При штамповке в открытых штампах вдоль внешнего контура полости выполняют специальную облойную канавку штампа. Для обеспечения хорошего заполнения металлом полости штампа и повышения его стойкости особенно большое значение имеет высота заусенца, которую, как и другие размеры облойной канавки, подсчитывают по формулам в зависимости от конфигурации поковки.

1.4.4 Выбор заготовки

В крупносерийном и массовом производствах исходным материалом для заготовок являются сортовой прокат круглого или квадратного профиля, а также различные виды периодического проката.

При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности или близкую к ней, часто применяют осадку исходной заготовки до требуемых размеров по высоте и диаметру. Для этой цели на плоскости штампа предусматривают площадку для осадки. Осадка — операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. При маленьком отношении длины к диаметру затрудняется отрезка заготовок, при большом — возможен продольный изгиб при осадке.

Мерные заготовки для штамповки отрезают на различном оборудовании: ножницах, прессах, хладноломах, дисковых пилах, анодно-механических станках и т. д.

Размеры исходной заготовки можно определить, предварительно подсчитав массу, которая равна сумме масс поковки, облоя, отхода на обсечку и в окалину. Отход в окалину зависит от способа нагрева.

m заг = mпок + mпр + mдн + mуг +mот ,

где m пок — масса поковки;

m пр — масса отхода с прибыльной частью заготовки;

m дн — масса отхода с донной частью заготовки;

m уг — масса отхода на угар (окалинообразование) при нагреве;

m от — масса технологических отходов.

1.4.5 Отделочные операции

Процесс отделки поковок после горячей объемной штамповки состоит из следующих операций: обрезки облоя и пробивки отверстий, термической обработки, очистки от окалины, а иногда правки и калибровки.

Обрезку облоя и пробивку отверстий выполняют в штампах, устанавливаемых на кривошипных прессах, по принципу действия аналогичных кривошипным штамповочным прессам. Существуют штампы совмещенного действия, в которых обрезают облой и пробивают пленки за один ход пресса. Обрезку и пробивку поковок можно выполнять в холодном и горячем состояниях. В холодном состоянии обрезка заусенцев производится только у небольших поковок из низкоуглеродистой и низколегированной сталей, так как при малом периметре обрезки усилие оказывается не слишком высоким даже для обработки холодного металла. В остальных случаях обрезают облой и пробивают пленку сразу же после штамповки на обрезном прессе, установленном непосредственно около штамповочной машины.

Необходимое усилие пресса для обрезки и пробивки определяют по формуле:

Р = ,

где — сопротивление срезу при температуре обрезки, равное 0,8в кг/ мм 2 ;

  • периметр среза, мм;
  • t — толщина облоя или перемычки, мм.;
  • k — коэффициент, учитывающий затупление матрицы и пуансона, приблизительно равный 1,7.

После обрезки облоя и пробивки отверстий поковки подвергают термической обработке, в результате которой устраняется неоднородность структуры металла, полученная в результате штамповки, снижаются остаточные напряжения, улучшается обрабатываемость резанием и таким образом обеспечиваются требуемые эксплуатационные свойства деталей. Температурный интервал горячей штамповки выбирают по марке стали заготовки.

Очистка поковок от окалины облегчает условия работы режущего инструмента при последующей обработке резанием, а также контроль качества поверхности поковок. Очистку осуществляют в галтовочных барабанах (мелкие поковки), дробью, травлением в растворах кислот и др. Очистка необходима перед правкой и калибровкой во избежание вмятия окалины в поковку.

В барабанах поковки очищают следующим образом. Поковки загружают в барабан с наклонной осью вращения, в котором находятся стальные звездочки. При вращении барабана поковки трутся и ударяются друг о друга и о звездочки, благодаря чему окалина сбивается. При очистке тяжелых поковок на их поверхности образуются забоины, поэтому таким способом их не очищают.

Дробеструйная очистка заключается в том, что металлическая дробь размером 1… 3 мм с большой скоростью ударяет о поверхность поковки и сбивает с нее окалину. Скорость дроби задается сжатым воздухом в специальных аппаратах. Этим способом очищают мелко- и среднегабаритные поковки.

Травлением в водных растворах кислот, нагретых до температуры 40… 60 °С, очищают крупногабаритные поковки сложных конфигураций.

Правку штампованных поковок выполняют для устранения искривления осей и искажения поперечных сечений, возникающих при затрудненном извлечении поковок из штампа (вследствие застревания поковки в полости штампа), после обрезки облоя, а также после термической обработки, в результате неравномерного охлаждения. Правку поковок выполняют как в горячем, так и в холодном состояниях. Крупные поковки и поковки из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей правят в горячем состоянии либо в чистовом ручье штампа сразу после обрезки облоя, либо на обрезном прессе (обрезной штамп совмещается с правочным), либо на отдельной машине, установленной рядом со штамповочным оборудованием. Мелкие поковки можно править в холодном состоянии после термической обработки.

Калибровка поковок повышает точность размеров всей поковки или ее отдельных участков. Она обеспечивает уменьшение (ужесточение) допусков до ±0,1 мм. и меньше. Таким образом, последующая механическая обработка устраняется полностью или ограничивается только шлифованием. Ее выполняют как в горячем, так и в холодном состояниях. Различают плоскостную и объемную калибровку.

Плоскостная калибровка служит для получения точных вертикальных размеров на одном или нескольких участках поковки, ограниченных горизонтальными плоскостями. Ее применяют вместо фрезерования, строгания, грубого шлифования. При плоскостной калибровке поковку правят в холодном состоянии на кривошипно-коленных прессах. Поскольку калибруют с небольшой степенью деформации (менее 5… 10 %), необходимо заранее при штамповке предусматривать припуск на калибровку. Причем с увеличением припуска точность размеров после калибровки уменьшается, а качество поверхности улучшается. Обычная точность после калибровки составляет (0,1… 0,25) мм, а допуск при калибровке с повышенной точностью в 2 раза меньше.

Объемной калибровкой повышают точность размеров поковки в разных направлениях и улучшают качество ее поверхности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими конфигурации поковки. Обычно ее применяют для мелких поковок с содержанием углерода не выше 0,5 %.

1.4.6 Вспомогательное оборудование

Вспомогательное оборудование для горячей объемной штамповки: ковочные вальцы, ротационно-ковочные машины, горизонтально-гибочные машины, электровысадочные машины, раскаточные машины. Процессы штамповок на этих машинах имеют свои особенности, обусловленные устройством и принципом действия.

1) Штамповка на ковочных вальцах напоминает продольную прокатку в одной рабочей клети, на двух валках которой закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи.

Нагретую заготовку подают до упора в тот момент, когда секторные штампы расходятся. При повороте валков происходит захват заготовки и обжатие её по форме полости; одновременно с обжатием заготовка выталкивается в сторону подачи.

На вальцах изготовляют поковки сравнительно несложной конфигурации, типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т. п. Кроме того на вальцах фасонируют заготовки для последующей штамповки, чаще всего на кривошипных горячештамповочных прессах. Профилируют и штампуют на вальцах в одном или нескольких ручьях. Исходное сечение заготовки принимают равным максимальному сечению поковки, так как при вальцовке происходит главным образом протяжка.

2) На ротационно-ковочных машинах происходит деформирование (радиальное обжатие), подобное операции протяжки и заключающееся в местном обжатии заготовки по ее периметру. Заготовку в виде прутка или трубы помещают в отверстие между бойками машины, находящимися в шпинделе. Бойки могут свободно скользить в радиально расположенных пазах шпинделя. При вращении шпинделя ролики, помещенные в обойме, будут толкать бойки, которые наносят удары по заготовке. В исходное положение бойки возвращаются под действием центробежных сил. Существуют машины, у которых вместо шпинделя с бойками вращается обойма с роликами; в этом случае для возвратного движения ползунов служат пружины.

В машинах первого типа получают поковки, имеющие форму тел вращения, в машинах второго — квадратного, прямоугольного и других сечений.

Типовыми поковками, изготовляемыми радиальным обжатием, являются различного рода ступенчатые цилиндрические или конические валики, трубы с оттянутыми на конус концами и т.п.

3) На горизонтально-гибочных машинах изготовляют поковки гибкой в горячем и холодном состоянии, иногда с дополнительными операциями в виде пробивки отверстий. Эта машина представляет собой кривошипный горизонтальный пресс со штамповочным пространством больших размеров и со значительным ходом ползуна.

Заготовка может быть в виде прутка, трубы и профильного проката. В зависимости от конфигурации поковки гибку можно осуществлять в один или несколько переходов.

4) На электровысадочных машинах высаживают с одновременным контактным электронагревом прутка и постепенной подачей его в зону деформации. При свободной высадке прутковая заготовка упирается в торцовый опорный контакт и зажимается радиальными контактами. За счет электросопротивления проходящему току участок заготовки между торцовыми и радиальными контактами нагревается и под действием осевого усилия, приложенного к свободному концу прутка, осаживается. На радиальные контакты действует сжимающая сила, обеспечивающая надежный электрический контакт, но позволяющая перемещаться заготовке в контактах. Кроме свободной высадки, применяют высадку в матрицу, которую электрически изолируют от торцового контакта.

Элекровысадкой получают головки из прутка 15-20 и более его диаметров. Производительность машины ограничивается необходимостью совмещения нагрева и высадки.

5) Раскатка кольцевых заготовок на раскаточных машинах получила в промышленности особенно большое распространение при производстве колец подшипников. Заготовка представляет собой кольцо с меньшим диаметром и большей толщиной стенки, чем у поковки. При подведении к заготовке, надетой на волок, быстро вращающегося валка, заготовка и валок начинают вращаться. При дальнейшем сближении валков увеличивается наружный диаметр заготовки за счет уменьшения толщины и происходит ее контакт с направляющим роликом, обеспечивающим получение поковки правильной кольцевой формы. После касания поковкой контрольного ролика раскатка прекращается.

Раскаткой получают поковки колец с поперечными сечениями различной формы (зависящими от профиля валков), наружным диаметром 70-700 мм и шириной 20-180 мм. Заготовки под раскатку штампуют на горизонтально-ковочных машинах или на молотах.

Процесс горячей накатки зубчатых колес находит значительное применение, в частности, в автомобильной и тракторной промышленности. Сущность процесса заключается в обкатке нагретой штучной или прутковой заготовки в зубчатых валках.

Изготовление зубчатых колес методом горячего накатывания повышает износостойкость и усталостную прочность зубьев на 30-50 %. Это объясняется, в частности, благоприятной макроструктурой, при которой волокна обтекают контуры зубьев. Расход материала на 18-40 % меньше, чем при получении зубьев на зубонарезных станках, а производительность полуавтомата для накатки выше производительности зубонарезного оборудования.

Обрезку облоя и пробивку пленок выполняют с помощью штампов, установленных на кривошипных прессах, по принципу действия аналогичных кривошипным штамповочным прессам.

При обрезке облоя поковку 3 укладывают в матрицу 4 та, что она своим облоем ложится на режущие кромки матрицы. При нажатии пуансоном 1 на поковку 3 режущие кромки матрицы срезают облой по всему периметру поковки, которая после этого проваливается вниз. Облой остается на матрице, а чтобы он не застревал на пуансоне, применяют съемник 2.

При пробивке пленки поковку 3 укладывают в матрицу 4 и с помощью пуансона 1 пробивают; отход проваливается через отверстие матрицы в тару, установленную под столом пресса. Существуют штампы совмещенного действия, в которых обрезают облой и пробивают пленки за один ход пресса.

Обрезку и пробивку поковок можно выполнять в холодном и горячем состояниях: для мелких поковок из низкоуглеродистой и низколегированной сталей — в холодном состоянии. В остальных случаях обрезают облой и пробивают пленку сразу же после штамповки на обрезном прессе, установленном непосредственно около штамповочной машины.

1.5 Сравнение с другими методами получения заготовок

Существенные преимущества штамповки по сравнению с обработкой резанием — возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, так как форму и размеры деформируемой заготовки можно значительно изменить за однократное приложение деформирующей силы. Однако, процессы горячей штамповки не могут сравниться с резанием по чистоте обработки поверхности и точности размеров. Из-за больших припусков на механическую обработку эти способы целесообразно применять для получения сравнительно крупных или сложных по форме заготовок, изготовление которых резанием непроизводительно и неэкономично (значительны отходы металла в стружку).

Штамп, инструмент для штамповки, может быть пригодным только для изготовления какой-то одной, конкретной поковки, и он дорогостоящий.

В отличие от ковки, которая обеспечивает в процессе обжатия заготовки получение размеров вдоль одной из двух осей, объемная штамповка обеспечивает заданные размеры по трем осям. Производительность штамповки значительно выше производительности ковки (составляет десятки и сотни штамповок в час).

Горячей объёмной штамповкой можно получать без напусков поковки сложной конфигурации, которые ковкой изготовить без напусков нельзя, при этом допуски на штамповочную поковку в 3-4 раза меньше, чем на кованную. Вследствие этого значительно сокращается объём последующей механической обработки.

Процесс штамповки более поддается механизации и автоматизации, всегда обеспечивает более высокий технический и организационный уровни производства по сравнению со свободной ковкой. Выполняя ковку, кузнец озабочен не только получением заданной формы поковки, но и требуемого ее качества. При штамповке же процесс во многом предопределяется штампом, кузнец должен лишь соблюдать назначенную технологией последовательность использования ручьев штампов, количество и силу наносимых ударов (нажатий пресса).

Поэтому при ковке работа сложнее, требуется более высокое мастерство кузнеца и больше затрачивается труда.

Горячей объемной штамповке оказывается под силу получение больших поковок (массой до нескольких сотен килограммов), что ковкой получить невозможно.

Процесс получения заготовки в закрытых штампах более сложный, чем в открытых. При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого, следовательно, отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность, иначе штамп может не сомкнуться. Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах — уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в облой. Поковки после безоблойной штамповки отличаются более высокими механическими свойствами, высок коэффициент весовой точности поковки.

2. Характеристика материала заготовки

1) Для изготовления шестерни используем сталь 40 Х ГОСТ 8479-70 — сталь качественная среднеуглеродистая низколегированная улучшаемая. Допускается поверхностное упрочнение методом ТВЧ или азотирование.

Заменители-стали: 45Х, 38ХА, 40ХН,40ХС, 40ХФ, 40ХР.

2) Назначение стали:

На железнодорожном пути: болты для рельсовых стыков, болты путевые для скрепления рельсов, гайки для болтов рельсовых стыков.

В моторостроении: для коленчатых валов, фрикционных дисков, зубчатых колес, неазотируемых гильз цилиндров, впускных клапанов тихоходных дизелей, шатунных болтов, гаек шатунных болтов, силовых шпилек, коромысел, клапанов и других улучшаемых деталей, закаливаемых в масле.

В турбостроении: для турбинных дисков, ободьев колес зубчатых передач, валов зубчатых передач, деталей соединительных муфт турбин и турбомашин, болтов, гаек и деталей общего назначения, применяемых в термически улучшаемом состоянии.

3) Температура критических точек: А С 1- 743 0 С и АС 3- 815 0 С.

4) Химический состав в % (ГОСТ 4543-71) Таблица 1.1.

Таблица 1.1

Марка стали

С

Si

Mn

Cr

Р

S

Cu

Ni

40Х

0,36-0,44

0,17-0,37

0,50-0,80

0,80-1,10

0,035

0,035

0,20

0,25

5)Термическая обработка и механические свойства стали 40Х. После горячей деформации в заготовке наблюдается различный размер зерна вследствие различной степени деформации по сечению заготовки. Для выравнивания размера зерна проводится нормализация. После очистки от окалины так как шестерня не имеет больших габаритов производится закалка ТВЧ ламповым генератором частотой тока 8-10 кГц. В результате сталь с исходной структурой перлит+феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. В результате преерного охлаждения остаточный аустенит понижает твердость, износостойкость, и нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах, в результате самопроизвольного его превращения в мартенсит. Далее следующий низкий отпуск, при котором снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости.

Таблица 1.2

Режим термообработки

, МПа

, МПа

, %

, %

КСU, Дж/м 2

НВ

Закалка 840-860 °С, вода, масло. Отпуск 580-650 °С, вода, воздух

490

655

15

45

59

212-248

Обрабатывание шестерен и зубьев после изготовления подвергают термообработке. Предварительная термообработка проводится с целью улучшения обрабатываемости резанием, снятия внутренних напряжений. Структура стали после этого представляет собой крупнозернистый пластинчатый перлит с сеткой хорошо дифференцированного феррита. При использовании среднелегированных, среднеуглеродистых сталей термообработку ведут путем нагрева до 950 0 С в течение (1-2) часов, выдержки при этой температуре в течение часа, охлаждения до 600 0 С в течение 10 минут, выдержки при этой температуре в течение 3 часов, охлаждения до 100 0 С в течение часа. Наиболее распространены поверхностная закалка зубьев таких шестерен методами газопламенной обработки и с нагрева ТВЧ, причем последний более производителен, менее трудоемок, более экономичен и экологичен. Однако при применении обычной ТВЧ — закалки, когда удельная мощность имеет порядок 1 кВт/см 2 , возникают проблемы поводок, роста вероятности скалывания зубьев и др. Для снижения этих факторов применяют различные подходы. Один из них — получение в упрочняемом слое содержания аустенита в пределах (35-50) %. Для повышения стойкости шестерен используют технологию получения периодического изменения твердости по высоте зуба (от 25-35 до 50-55 ед. HRC) путем ТВЧ нагрева, водяного охлаждения и местного отпуска кольцевыми участками, получая сетку с изменением структуры от троостита отпуска до мартенсита отпуска.

Закалка с применением ВИЗ более технологична и проста. При этом последовательная («зуб за зубом») обработка зубьев на всю их длину проводится с помощью специальных индукторов с ферритовыми концентраторами, профиль индуктора определяется профилем зуба шестерни. Применение ферритовых концентраторов повышает достоинства обычной ТВЧ закалки, снижает ее недостатки. Повышение удельной ВЧ мощности в зоне обработки приводит к диспергированию зерна в поверхностном слое детали и образованию упрочняющих фаз. Кроме того, при ВИЗ требуемая для закалки мощность установки ниже, чем при традиционной ТВЧ закалке. Проблемами при ТВЧ закалке шестерен являются перегрев вершины зуба и возможность образования внутренних трещин. Первая проблема при ВИЗ-обработке решается применением специальной конструкции индукторов. Предупреждение образования закалочных трещин достигается путем оптимизации охлаждения зуба водой во время обработки.

6) Группа поковок:

Так как шестерня ответственная деталь, то она относится к IV группе поковок: Гр. IV КП 80 ГОСТ 8479-70. Испытаний для данной группы включают: испытание на растяжение, определение ударной вязкости, определение твердости. Сдаточными характеристиками после испытаний для IV группы поковок являются предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость.

7) Технологические свойства стали 40Х таблица 1.3.

Таблица 1.3

Температура горячей деформации, 0С

Прокаливаемость, диаметр в мм.

Свариваемость

Обрабатываемость резанием

начала

конца

в воде

в масле

1200

800

Трудно сваривается. РДС — необходим подогрев последующая термообработка

Твердый сплав КU = 0,8. Быстрорежущая сталь КU = 0,7; НВ 197-207

Критический диаметр прокаливаемости для получения 90 % мартенсита колеблется от 17-30 мм., а максимальная толщина нашей детали лежит в данной интервале, что позволяет нам провести сквозную закалку.

Сталь 40Х флокеночувствительна, имеет низкую коррозионную стойкость. Флокены представляют собой внутренние дефекты стали, выявляемые в изломе в виде пятен округлой формы. На поверхности микрошлифа, вырезанного перпендикулярно плоскости пятен, флокены имеют вид трещин, толщина которых измеряется сотыми и даже тысячными долями миллиметра. Обычно флокены образуются в кованных и катанных заготовках и изделиях с относительно большим сечением. Чувствительны к образованию флокенов углеродистые (более 0,25-0,30 % углерода) и легированные стали перлитного, перлито-мартенситного и мартенситного классов.