Ковка и горячая объемная штамповка. Определение деформаций, работы и усилия при осадке
Ковка – способ обработки металлов давлением, осуществляемый с помощью кузнечного инструмента или штампов, при котором инструмент оказывает многократное, прерывистое воздействие на нагретую заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданные форму и размеры. Ковка является единственным способом изготовления крупных поковок ( до 250 т): валов гидрогенераторов, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и т.д.
Ковка может быть свободной или в подкладных штампах, ручной или машинной, осуществляемой на паровоздушных молотах или на ковочных гидравлических прессах. Ковку обычно применяют в мелкосерийном или единичном производствах, а также для изготовления крупных поковок.
Горячая объемная штамповка (или штампование) – это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляется в специальных инструментах – штампах. По наличию или отсутствию заусенца различают штампы открытые и закрытые, в зависимости от температуры нагрева заготовок – для холодного и горячего штампования, по виду операций: формовочные, высадочные, прошивные и т.д., по применяемому оборудованию – молотовые и прессовые. Основные детали штампа – пуансон и матрица. Штампы молотовые и для кривошипных горячештамповочных прессов состоят из верхней и нижней частей, на соприкасающихся частях которых имеются ручьи для последовательного формообразования изделия. Изготавливают штампы из углеродистых и легированных, главным образом хромом, штамповых сталей.
Штамповка в открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В зазор вытекает заусенец (облой). По мере уменьшения зазора металл, находящийся в этом зазоре между частями штампа, интенсивно охлаждается, увеличивается предел текучести металла и возрастает сопротивление перемещению заусенца. Благодаря этому заполняется вся полость штампа, и только излишки металла вытесняются в заусенец. Заусенец (облой) впоследствии обрезается в специальных (обрезных) штампах.
При штамповке в закрытых штампах зазор между подвижной и неподвижной частями штампа достаточен для относительного перемещения частей штампа, но не для образования заусенца. Поэтому во избежание незаполнения углов полости штампа или увеличения высоты поковки необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки металла и поковки.
К штамповке в закрытых штампах можно отнести и штамповку выдавливанием.
Горячая объемная штамповка применяется в крупносерийном или массовом производствах. Она позволяет получать поковки сложной конфигурации с минимальными напусками и меньшими допусками. Производительность штамповки значительно выше, чем ковки.
В то же время штамп – дорогостоящий инструмент, предназначенный для изготовления только одной конкретной поковки.
Усилия при штамповке больше, чем для ковки одинаковых поковок. Поэтому вес поковок, изготавливаемых объемной штамповкой, редко превышает 20–30 кг.
Осадкой называют такую технологическую операцию обработки давлением, при которой уменьшается высота исходной заготовки при одновременном увеличении площади ее поперечного сечения.
Рассмотрим осадку цилиндрического образца между двумя плоскими поверхностями, перпендикулярными оси осаживаемого цилиндра (рис. 2.6.).
Рис.
2.6. Операция осадки цилиндрического
образца:
а) – без трения на торцах (идеальный случай), б) – при наличии трения
на торцах (реальный случай)
Для
устойчивости при осадке цилиндрических
заготовок высота заготовки должна быть
не более двух с половиной ее диаметров:
В идеальном случае при отсутствии трения на торцах цилиндрического образца деформации будут однородны по всему объему. При этом исходный цилиндр в результате осадки преобразуется также в цилиндр меньшей высоты, но большего диаметра (рис. 2.6, а). Однако в действительности из-за трения на торцах цилиндрического образца деформации будут неоднородными. Образец после осадки приобретает форму бочки (рис. 2.6, б).
Осадку производят на прессах или молотах как одну из операций (или переходов) технологического процесса обработки давлением.
Определим приращение работы деформирования при осадке:
,
(2.9)
где V – объем, F – площадь поперечного сечения деформируемой заготовки, p – давление.
Соответственно, работа деформации определяется по формуле
.
(2.10)
С учетом выражения (2.10) среднее усилие P деформирования при осадке рассчитывается следующим образом:
.
(2.11)
При
одноосном сжатии
.
Однако можно допустить, что, заменив
истинную линейную деформацию интенсивностью
деформаций, можно применять эту формулу
для оценки усилия и при возникновении
бочкообразности, то есть при появлении
сдвиговых компонентов деформации.
Как показал профессор Сторожев М.В., увеличение давления p по отношению к пределу текучести T с учетом трения на торцах цилиндра зависит от отношения диаметра заготовки к ее высоте:
(2.12)
При этом работа деформации при осадке соответствует выражению
(2.13)
Во избежание появления трещин, других дефектов величину деформации Zи или i за 1 удар молота необходимо ограничивать, например, Z1=0,03.
Прошивка представляет собой операцию при ковке или штамповании (штамповке) поковок, осуществляемую для получения глубокой полости или сквозного отверстия в теле поковки путем вдавливания в нее прошивня.
Операция прошивка подразделяется на открытую и закрытую, рис. 2.7.
Рис. 2.7. Схемы прошивки:
а) – открытая, б) – закрытая
При
открытой прошивке боковые поверхности
заготовки свободны от нагрузки. При
этом исходная высота заготовки уменьшается
(заготовка осаживается, а диаметр
неравномерно увеличивается. Форма
заготовки при открытой прошивке
искажается (приобретает бочкообразность)
тем больше, чем меньше отношение
исходного диаметра цилиндрической
заготовки к диаметру прошивня.
При закрытой прошивке диаметр заготовки равен диаметру матрицы, а высота заготовки увеличивается, причем тем больше, чем меньше отношение . Высота заготовки может быть вычислена из условия постоянства объема.
При выдавливании происходит истечение металла, заключенного в контейнер через отверстие в нем (матрицу) (рис. 2.8.). Конфигурация матрицы определяет сечение выдавливаемой заготовки.
На рис. 2.8 представлен метод прямого выдавливания: металл течет в сторону движения пуансона. При обратном методе выдавливания металл течет навстречу движению пуансона. Этим методом могут быть получены детали типа втулок, труб.
Рис. 2.8. Схема операции выдавливания:
1 – пуансон, 2 – пресс-шайба, 3 – контейнер, 4 – деформируемый металл, 5 – корпус штампа, 6 – деформированная заготовка, 7 – кольцо подкладное