8.4. Горячая объемная штамповка

Горячая объемная штамповка – это формообразование деталей (поковок) принудительным перераспределением металла нагретой заготовки в штампе. Это дешевый и производительный процесс обработки, широко распространенный в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. При горячем деформировании в штампах получают наибольшее преобразование формы заготовок с наименьшими затратами энергии. Однако при нагреве заготовок перед штамповкой на их поверхности образуется слой окалины. Наличие окалины снижает качество поверхности и точность размеров поковок, что приводит к необходимости последующей обработки поковок резанием.

Горячую объемную штамповку, так же как и холодную формовку, производят в открытых и закрытых штампах (рис. 35). В открытых штампах получают поковки всех типов: удлиненной формы, штампуемые плашмя, и осесимметричной формы, штампуемые в торец. В закрытых штампах получают преимущественно осесимметричные поковки. Всестороннее неравномерное сжатие при больших сжимающих напряжениях, чем при открытой штамповке, позволяет осуществлять большие степени деформации и штамповать низкопластичные сплавы без отхода металла в заусенец. Качество поковок выше вследствие лучшего, более равномерного расположения волокон, отсутствия концентрации деформаций и перерезанных волокон в зоне заусенца (рис. 35, б). Однако пониженная стойкость штампов и потребность в более дорогих заготовках точного объема ограничивают применение прогрессивных процессов закрытой штамповки. Поковки простой конфигурации штампуют из прокатанных заготовок постоянного профиля в штампах с одной полостью – одноручьевых штампах. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине (высоте) и с изогнутой осью нельзя штамповать из заготовок постоянного профиля в одноручьевых штампах из-за незаполнения штампа или недопустимо большого отхода металла в заусенец. В таких случаях форму заготовки постепенно приближают к форме поковки в мноrоручьевых штампах, имеющих заготовительные и штамповочные ручьи

Рис. 35. Схемы процессов и расположение волокон в поковках при штамповке:

а – в открытых штампах; б – в закрытых штампах

В заготовительных ручьях получают фасонную заготовку – полуфабрикат для штамповки в предварительном (черновом), а затем в окончательном (чистовом) штамповочном ручье. В предварительном ручье завершают основное формообразование поковки, чтобы снизить износ окончательного ручья. В окончательном ручье получают готовую поковку заданных размеров. В нем развиваются наибольшие усилия штамповки и его располагают в центре штампа, чтобы избежать больших эксцентричных нагрузок на штамповочную машину.

Те или иные ручьи и различные их комбинации применяют в зависимости от конфигурации и размеров поковки, а также от требуемого направления волокон металла, которое обеспечивает соответственно направленное течение металла в ручьях штампа. Независимо от вида штамповочного оборудования процесс получения поковок состоит из следующих основных этапов: подготовки заготовок, оформления поковок в штампах и отделочных операций. Нагрев заготовок перед штамповкой в значительной степени определяет качество, производительность и стоимость продукции. Заготовки должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры (для среднеуглеродистой стали до 1200⁰С), чтобы можно было избежать температурных напряжений и трещин. При превышении температуры нагрева происходит перегрев – интенсивный рост зерен, ухудшение качества металла. Перегрев можно устранить при последующем деформировании металла или термообработкой. При дальнейшем повышении температуры (для стали свыше 1350⁰C) возникает пережог – неисправимый брак, заключающийся в окислении и расплавлении границ зерен с пол­ной потерей пластичности металла.

При нагреве должно быть минимальное окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхности заготовок, чтобы избежать чрезмерных потерь металла и затрат на удаление деффектноrо слоя. Обезуглероженный слой при большой его глубине (до 2 мм) может остаться на поверхности детали после удаления припуска обработкой резанием. Это приведет к пониженной твердости поверхностного слоя детали (он не закаливается) и снизит надежность работы детали, особенно в условиях динамических нагрузок. Правильный нагрев заготовок обеспечивают с помощью автоматических систем регулирования температуры и состава атмосферы в нагревательных устройствах и времени нагрева заготовок. Наиболее совершенными являются электронагревательные устройства, позволяющие автоматизировать процессы нагрева заготовок. В них легче создать защитную атмосферу для безокислительного нагрева. Это электроконтактные установки, индукционные установки, газовые печи с механизированной подачей заготовок в рабочее пространство.

Большое разнообразие форм и размеров штампованных поковок и сплавов, из которых их штампуют, обусловило применение различных способов штамповки и, соответственно, различных конструкций штампов и кузнечно-штамповочного оборудования.

После штамповки в открытых штампах производят обрезку заусенцев и пробивку перемычек в штампах на обрезных кривошипных прессах. В штампах совмещенного действия обе эти операции выполняются одновременно за один ход пресса. Обрезку и пробивку мелких поковок из низкоуглеродистых и низколегированных сталей производят в холодном состоянии, в остальных случаях – в горячем состоянии, сразу после штамповки. При холодной обрезке и пробивке качество среза выше, чем при горячей. При соответствующих размерах пуансонов и матриц одновременно с пробивкой и обрезкой можно удалять штамповочные уклоны для уменьшения последующей обработки поковок резанием.

При удалении из штампов, обрезке заусенцев, пробивке перемычек и транспортировке поковки могут искривляться. На изогнутых поковках при обработке резанием на одних участках может быть недостаток, а на других – избыток припуска, что приведет к браку детали. Поэтому при необходимости крупные поковки и поковки из высоколегированных сталей правят в горячем состоянии сразу после обрезки заусенца. Правку производят в чистовом ручье штампа на штамповочной машине либо в совмещенном штампе для обрезки и правки на обрезном прессе. Мелкие и средние поковки правят обычно на винтовых прессах в холодном состоянии после их термообработки и очистки от окалины.