Способы получения заготовок

Заготовка может быть штучной (мерной) или непрерывной, например, пруток горячекатаного проката, из которого путем его разрезки в процессе изготовления могут быть получены отдельные штучные заготовки.

Заготовка каждого вида может быть получена одним или несколькими способами, родственными базовому. Так, например, отливка может быть получена литьем в песчаные, оболочковые формы, в кокиль и т. д.

Литьем получают заготовки практически любых размеров как простой, так и очень сложной конфигурации практически из всех металлов и сплавов. Годовой объем выпуска отливок в Российской Федерации составляет более 5000 тыс. тонн, из них на долю чугунных отливок приходится около 75 %, стальных - 18 %, отливок из цветных сплавов - до 7 %, однако доля последних постоянно возрастает [15], что, в принципе, соответствует мировым тенденциям развития литейного производства.

Обработкой металлов давлением получают кованые и штампованные заготовки, а также машиностроительные профили. Ковка применяется в единичном, мелкосерийном производстве, а так­же при изготовлении очень крупных, уникальных заготовок и за­готовок с особо высокими требованиями к объемным свойствам материала. Штамповка позволяет получить заготовки, близкие по конфигурации к готовой детали. Механические свойства заготовок, полученных обработкой давлением, выше, чем литых.

Максимальный объем выпуска поковок в Российской Федерации составлял около 8 млн. тонн. В объеме выпуска поковок на долю кованых приходится около 33 %, штампованных - около 67 %. В 1998 году выпуск штамповок в России составил 16 % их мирового производства.

Заготовки, получаемые путем разрезки проката, применяют в единичном - серийном производствах. Прокат выбранного профиля пре­вращают в штучные (мерные) заготовки, из которых последующей механической обработкой изготовляют детали. Совершенство за­готовки определяется близостью выбранного профиля проката поперечному сечению детали (с учетом припусков на обработку).

Сварные заготовки изготовляют из отдельных составных элементов, соединяемых между собой с помощью различных способов сварки. В комбинированной заготовке, кроме того, каждый составной элемент представляет собой самостоятельную заготовку соответствующего вида (отливка, штам­повка и т. д.), изготовленную выбранным способом по самостоя­тельному технологическому процессу. Сварные и комбинирован­ные заготовки значительно упрощают создание конструкций сложной конфигурации. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (коробле­ние, пористость, внутренние напряжения), которые трудно испра­вить механической обработкой.

Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии, по форме и размерам очень точно соответствовать готовым деталям и требуют лишь незначительной, отделочной обработки.

Развитие машиностроения приводит к появлению новых ви­дов заготовок, в частности, заготовок из конструкционной керами­ки, применяемых при изготовлении теплонапряженных и (или) работающих в агрессивных средах деталей.

Заготовку перед первой технологической операцией процесса изготовления детали называют исходной заготовкой.

Как продукт заготовительного производства заготовку, в принципе, можно характеризовать теми же показателями качества, что и готовую деталь. Вместе с тем, заготовка не является ко­нечным продуктом машиностроительного производства в целом. Поэтому ее качество принято характеризовать лишь некоторыми из показателей качества, важнейшими из которых являются:

1) точность размеров основных (заданных) поверхностей;

2) отклонения пространственного расположения основных (заданных) поверхностей;

3) шероховатость основных (заданных) поверхностей;

4) глубина дефектного слоя основных (заданных) поверхностей;

5) твердость основного материала.

Качество заготовок деталей высокой ответственности допол­нительно могут характеризовать значения показателей физико-механических свойств, определяемых экспериментально в резуль­тате исследования образцов, вырезанных из заготовок, например, дисков турбин газо-турбинных двигателей (ГТД), а также сведения об ориентированности структуры материала заготовок рабочих лопаток турбин ГТД.

Качество заготовки зависит от технологических свойств ее: материала, ее вида и способа изготовления. Так, например, качест­во отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья. В некоторых случаях внутри сте­нок отливок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, горячие и холодные трещины), которые обнаружива­ются только после черновой механической обработки.

 

 

Важнейшими показателями технологичности заготовки явля­ются: коэффициент использования материала, трудоемкость изго­товления, технологическая себестоимость.

Коэффициент использования материала (КИМ) определяют из выражения:

где m _Д - масса готовой детали; m _Р - масса всего израсходованного для ее изготовления материала, включая массу литников, облоя, окалины, брака и т. п. Различают также коэффициент выхода год­ного материала (металла) в заготовительном производстве (K_В.Г.) и коэффициент массовой точности (К_М.Т.):

где m _З - масса заготовки.

КИМ = K_В.Г. К_М.Т..

Коэффициент использования материала характеризует общий расход материала на изготовление данной детали. Большее значе­ние КИМ соответствует более совершенной (менее материалоемкой) заготовке. Коэффициент выхода годного материала характеризует рас­ход материала в заготовительном производстве, уровень брака, объемы технологических отходов и т.п.

Средние по машиностроению значения рассматриваемых ко­эффициентов для основных видов заготовок из черных металлов и сплавов представлены в табл. 3.1.

 

Таблица 3.1. Средние значения коэффициентов KВ.Г., КМ.Т., КИМ для заготовок из черных металлов и сплавов.
Вид заготовки	KВ.Г.	КМ.Т.	КИМ
Литье	0,7...0,5	0,85...0,8	0,60...0,40
Обработка давлением	0,95...0,65	0,7...0,55	0,67...0,36
Прокат	0,9...0,75	0,7...0,50	0,63...0,38

 

Стремление к максимальному ресурсосбережению, созданию безотходного производства делает насущной необходимостью по­вышение КИМ до уровня современных требований: при КИМ ≥ 0,98 производство (технологию) считают безотходными; при 0,9 ≤ КИМ < 0,98 производство считают малоотходным; современ­ному среднему уровню требований ресурсосбережения отвечает 0,78 ≤ КИМ < 0,9.

 

Литье

 

Литье является одним из экономичных способов получения деталей и заготовок сложной формы, больших и малых размеров из различных металлов, сплавов, пластмасс и других материалов. Этот способ заключается в заливке расплавов в специально приго­товленные литейные формы.

В литейном производстве для получения металлических отливок применяют более 50 разновидностей литья: литье в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, литье в кокиль, центробежное литье, литье под давлением и др.

Литейная форма — это применяемая в литейном производстве форма для получения отливок, состоит из собственно формы для воспроизведения наружных контуров отливок и литейных стержней для образования внутренних полостей и отверстий (рис. 3.1).

Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой материал, охлаждаясь, затвердевает и принимает требуемые конфигурацию и размеры.

Литейный стержень — это отъемная часть литейной формы, оформляющая внутренние полости отливки. В тех случаях, когда кон­фигурация литейной модели затрудняет извлечение ее из литейной формы, литейные стержни могут использоваться и для формирования наружных частей отливки. Литейные стержни устанавливают на специальные опорные по­верхности литейной формы, называемые знаками.

Литье в песчаные формы -это способ получения отливок в ли­тейных формах, изготовленных из песчано-глинистых формовочных материалов и используемых для получения одной отливки.

Совокупность каналов (элементов), служащих для заполнения рабочей полости литейной формы расплавленным металлом, питания отливки при затвердевании и улавливания первых порций металла, шлака и загрязнений, называется литниковой системой. Основными элементами литниковой системы являются чаша, стояк, шлакоуло­витель, питатель, боковая прибыль, шейка.

Выпар — это вертикальный канал, соединенный с литниковой системой. Он расположен в верхней части литейной формы и предназначен для выхода газов при заполнении формы жидким металлом, контроля заполнения формы, а иногда — питания отливки металлом во время ее остывания.

Рис. 3.1. Последовательность изготовления формы (формовка): а - эскиз детали; б - эскиз полу-модели; в - стержень; г - изготовление нижней полу-формы; д - изготовление стержня; е - форма в сборе; 1 - базовый выступ; 2 - базовая впадина; 3 - знак; 4 - модельная плита; 5 - стержневой ящик; 6 - стержень; 7 - нижняя опока; 8 - зажимной болт; 9 - верхняя опока; 10 - вентиляционный канал; 11 - выпар; 12 - литниковая система; 13 - базовый штифт; 14 –полу-формы.

 

Разовые литейные формы получают с помощью специальных комплектов приспособлений — модельного и формовочного.

Модельный комплект необходим для образования при формов­ке рабочей полости литейной формы. В комплект входят литейная модель, стержневые ящики, модели литниковой системы, шаблоны для конкретной отливки, модельные плиты и др.

Литейная модель — это часть модельного комплекта, служащая для образования в литейной форме отпечатка, соответствующего кон­фигурации и размерам отливки. Модели изготавливают из древесины, металлических и специальных модельных сплавов и пластмасс. Существуют одноразовые модели и модели для многократного использования. Деревянные модели отличаются простотой изготовления, невысокой стоимостью, относительно малой массой, однако они недолговечны. Применение деревянных моделей целесообразно в опытном и разо­вом производстве.

Модельная плита — это плита, оформляющая разъем литейной формы и несущая на себе различные части модели, включая литни­ковую систему, и служащая для набивки формовочной смесью одной из парных опок.

Стержневой ящик — приспособление, служащее для изготовле­ния стержней. Конструкция стержневого ящика зависит от формы и размеров стержня, способа его изготовления. Для свободного, удаления стержня из ящика на соответствующих поверхностях предусматривают формовочные уклоны. Стержневые ящики могут быть изготовлены из дерева, металла или пластмассы.

В формовочный комплект входят опоки, штыри, скобы и другие приспособления, необходимые для получения разовой песчаной формы.

Опокой называют приспособление в виде жесткой рамы (откры­того ящика), служащее для удержания в нем формовочной смеси при изготовлении разовых песчаных форм, транспортирования и за­ливки металла. Опоки изготавливают из стали, чугуна, алюминиевых сплавов.

Основными операциями при изготовлении литейной формы явля­ются: уплотнение формовочной смеси, придание форме достаточной прочности и устройство вентиляционных каналов.

Изготовление литейной формы начинают с того, что на модельную плиту 4 (см. рис. 3.1) устанавливают нижнюю половину модели и нижнюю опо­ку 7 рабочей плоскостью вниз. На модель наносят слой облицовочной смеси толщиной 40... 100 мм, который слегка уплотняют. Затем опоку заполняют наполнительной смесью и уплотняют.

Опоку с заформованной в ней половиной модели поворачивают на 180° и вновь устанавливают на модельную плиту. На нижней половине модели фиксируют ее верхнюю половину, устанавливают модели стояка и выпаров. На нижнюю опоку устанавливают верхнюю, извлекают модели стояка и выпара.

Верхнюю полу-форму снимают, поворачивают на 180° извлекают половины моделей отливки и литниковой системы. Затем в нижнюю полу-форму устанавливают литейный стержень, который оформляет внутреннюю полость отливки, и на нижнюю полу-форму с помощью штырей устанавливают верхнюю полу-форму. Для улучшения газопроницаемости формы делают вентиляционные каналы 10. После скрепления опок литейная форма считается подготовленной к заливке.

Изготовление отливок в песчаных формах включает в себя следую­щие основные технологические операции: заливку литейной формы расплавленным металлом, охлаждение отливки в литейной форме, выбивку отливки из литейной формы, обрубку и очистку отливок.

Заливка литейной формы заключается в равномерном заполнении литейной формы расплавленным металлом. Важное значение при за­ливке имеет обеспечение рациональной температуры заливки расплав­ленного металла, которая должна быть примерно на 100... 150° С выше температуры отвердения. Для крупных отливок из серого чугуна температура заливки обычно находится в пределах 1230... 1300° С, для мелких и средних отливок из серого чугуна — 1320... I400° С, для тонкостенных отливок — 1360... 1450° С. Высокопрочный и бе­лый чугун заливают при температуре 1320... 1450º С, углеродистую и низколегированную стали — при температуре 1520... 1560° С. Для тонкостенных отливок из легированной коррозионностойкой стали 12Х18Н9ТЛ температура заливки достигает 1620° С.

Бронзу и латунь обычно заливают при температуре 1000...1 100° С, алюминиевые и магниевые сплавы — при 680... 760° С, титановые сплавы — при 1800... 1860° С.

Продолжительность заливки расплава в форму зависит от сте­пени сложности конфигурации отливок, литейного сплава и метал­лоемкости литейной формы (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Влияние массы отливки m на продолжительность заливки τ.

 

Охлаждение отливок в литейных формах после заливки проис­ходит от температуры заливки до достижения рациональной темпе­ратуры выбивки. Продолжительность выдержки в форме определяется толщиной стенки отливки, свойствами залитого сплава и литейной формы, температурой выбивки и может быть рассчитана или определена экспериментально.

Небольшие тонкостенные отливки охлаждаются в форме в течение нескольких минут, а толстостенные крупные (массой 50...60 т) — в течение нескольких суток и даже недель (табл. 3.2).

 

Таблица 3.2. Примерная длительность охлаждения отливок.

Характеристика отливок	Длительность охлаждения, час
Масса отливок, кг	Средняя толщина стенок, мм	Стальные отливки	Чугунные отливки
До 10	5... 15	0,2...0,5	0,2...0,4
10...50	15...20	0,5...0,8	0,4... 0,6
50... 100	15...30	2...5	0,8...2,0
100...500	20... 50	6...8	4...6
500... 2 000	30... 80	18... 24	18...20
2000... 10000	50... 120	36...50	24... 36

 

На рис. 3.3 представлена зависимость времени остывания расплава (от температуры заливки до температуры начала кристаллизации) от толщины стенок отливки. Время кристаллизации значительно больше, чем время остывания расплава до начала кристаллизации (рис. 3.4).

Это связано с тем, что скрытая теплота кристаллизации больше, чем теплосодержание расплава при остывании примерно на 70 ° С, а также с тем, что с течением времени плотность теплового потока, поступающего из отливки в литейную форму, уменьшается.

Рис. 3.3. Влияние толщины стенки Х на время остывания отливки τ

от заливки расплава до начала кристаллизации отливки.

Рис. 3.4. Зависимость толщины Х кристализованного слоя расплава от времени τ.

 

Для сокращения времени охлаждения массивных отливок ис­пользуют различные методы принудительного охлаждения: обдувают воздухом, в формы при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду. На время остывания и количество отведенной теплоты существен­ное влияние оказывают свойства литейного сплава: теплоемкость, плотность, удельная теплота плавления, температуры заливки, плав­ления и выбивки.

Скорость отвода теплоты в литейную форму влияет на кристаллизацию металла и размеры образующихся зерен. В начальный период кристаллизации при наибольшей плотности те­плового потока образуется мелкозернистая литейная корка. Литейная корка находится в контакте с формовочной смесью, поэтому она, как правило, загрязнена включениями. Затем плотность теплового потока падает и скорость кри­сталлизации уменьшается. При литье в песчаные формы малая скорость охлаждения отливок обусловливает их крупнозернистую структуру.

Поскольку реальные детали имеют различную толщину стенок, элементов, в первую очередь кристаллизуются и затвердевают более тонкие части детали. Выравнивание процессов затвердевания различных элементов отливок может быть достигнуто с помощью регулирования тепло­обмена.

С этой целью в литейную форму встраивают обладающие высокой теплопроводностью элементы, называемые холодильниками. Холодильники обычно изготавливают из чугуна, реже — из графита, магнезита. Между холодильником и внутренней поверхностью формы оставляют стенку из формовочной смеси, через которую достаточно быстро устанавливается стационарный теплообмен. При этом тепло­вой поток через стенку зависит от ее толщины.

После затвердевания отливку выдерживают в форме для охлаж­дения до температуры выбивки. Теплота, содержащаяся в расплав­ленном металле с учетом скрытой теплоты кристаллизации, при охлаждении отливки до температуры ее выбивки из литейной формы переходит в литейную форму и неравномерно нагревает формовочную смесь. На периферии литейной формы, т.е. вблизи опоки, темпера­тура формовочной смеси практически не должна существенно повы­шаться, поскольку это привело бы к замедлению процесса охлаждения отливки. На внутренней поверхности литейной формы температура формовочной смеси равна температуре выбивки.

Выбивка отливок — процесс удаления затвердевших и охлаж­денных до определенной температуры отливок из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Выбивку отливок обычно выполняют на различных выбивных установках. Остатки стержней после выбивки из форм удаляют из отливок пневматическими зу­билами или в гидравлических камерах и на электрогидравлических установках.

Во избежание искажения формы отливок, образования трещин и других дефектов отливок выбивка должна производится только по­сле завершения процессов кристаллизации, формирования отливок и приобретения ими достаточной прочности.

Для неответственных крупных стальных отливок простой конфи­гурации температура выбивки должна быть ниже 700° С, для неболь­ших простых стальных отливок — 500° С, для более ответственных и сложных стальные отливок — 300° С, для ответственных отливок из малотеплопроводных легированных сталей — 200° С.

Мелкие чугунные отливки извлекают из формы при температуре 700... 800° С, средние - при 400... 500 °С, крупные - при 300... 400° С. Отливки из бронзы выбивают при температуре 300... 500° С, алюминие­вые отливки — при 200...300° С, магниевые — при 100... 150° С.

Обрубка отливок представляет собой процесс удаления литников, прибылей, выпоров и заливов (облоев). Ее осуществляют с помощью дисковых и ленточных пил, пневматических зубил, а также электро­дуговой или газовой резкой.

Очистка отливок — процесс удаления пригара, остатков фор­мовочной смеси с поверхностей отливок, производится во вращаю­щихся барабанах за счет трения деталей и чугунных «звездочек», загружаемых в барабаны вместе с отливками, в гидропескоструйных установках струей воды с песком под давлением до 3 МПа, в дробеметных (дробеструйных) барабанах и камерах струей чугунной или стальной дроби, химической или электрохимической обработкой и другими способами.

Помимо литья в формы, существует несколько видов специального литья. К ним, в частности, относятся л итье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, литье в кокиль и др.

Литье в оболочковые формы — это способ получения отливок в оболочковых формах свободной заливкой расплава.

Оболочковая (корковая) форма — одноразовая литейная форма, изготовленная из двух скрепленных рельефных полуформ с толщиной стенок 6... 10 мм (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема изготовления оболочковой формы: а - положение загрузки; б - положение формования оболочки; в - положение разгрузки: 1 - формовочная смесь; 2 - бункер; 3 - плита; 4 – полу-модель; 5,6 - оболочки.

 

Оболочковые формы изготавливают из смеси, состоящей из мел­кого кварцевого песка и крепителя — фенолформальдегидной порошкообразной термореактивной смолы (пульвербакелита), на спе­циальных автоматических или полуавтоматических машинах.

Термореактивная смола плавится при нагревании и обволакивает зерна песка, при дальнейшем нагревании затвердевает и связывает зерна песка в прочную оболочку. Соединение полуформ выполняют по фиксаторам с помощью скоб, струбцин или склеиванием. Оболочковые формы характеризуются достаточно высокой проч­ностью, газопроницаемостью, податливостью.

Небольшая толщина стенок оболочковых форм позволяет обеспе­чивать интенсивный и стационарный отвод теплоты. В связи с этим отливки, полученные в оболочковых формах, имеют более плотную, однородную и мелкозернистую структуру, высокие механические свойства, меньшие усадку и внутренние напряжения, чем при литье в песчаные формы.

Тепловой поток, отводящийся из расплава или от отливки в ли­тейную форму, может регулироваться изменением материала напол­нителя формы. В кварцевом песке отливка охлаждается медленнее, чем в металлической дроби.

Отливки в оболочковых формах получают 5 — 7-го классов точ­ности с шероховатостью поверхности, соответствующей 4 —6-му классам, что позволяет сократить или исключить процесс очистки.

Способом литья в оболочковые формы получают отливки массой 0,25... 100 кг практически из любых литейных сплавов. Этим спосо­бом изготавливают ребристые мотоциклетные цилиндры, коленчатые валы автомобильных двигателей и т.д.

Достоинствами способа литья в оболочковые формы являются воз­можность получения тонкостенных отливок сложной формы, гладкой и чистой поверхности отливок; небольшой расход смеси, в 8 —10 раз меньше, чем при литье в песчано-глинистые формы; качественная структура металла за счет повышенной газопроницаемости форм и регулирования отвода теплоты; широкая возможность автомати­зации; небольшие допуски на обработку резанием.

Недостатками этого способа являются большие затраты на мате­риалы, оснастку и оборудование. Затраты на материалы, оснастку и оборудование окупаются при больших программах выпуска отливок, то есть в крупносерийном и массовом производстве.

Литье по выплавляемым моделям — это способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в неразъемной обо­лочковой форме, рабочая полость которой образована удалением литейной модели выжиганием, растворением или выплавлением в горячей воде.

Удаление остатков модельного состава и упрочнение оболочки достигается прокаливанием формы при высокой температуре. За­полнению тонких и сложных по конфигурации полостей формы способствует ее нагрев перед заливкой. Технология литья по выплавляемым моделям является многоопе­рационной. Последовательность изготовления отливок литьем по вы­плавляемым моделям представлена на рис. 3.6.

Разовые выплавляемые модели изготавливают в пресс-формах из модельных составов, состоящих из двух (или более) легкоплавких компонентов (парафина, стеарина, воска, канифоли).

Выплавляемую модель 3 получают путем заполнения (запрессовки) металлической пресс-формы 1 жидким или пастообразным модель­ным составом (например, смесь парафина и стеарина в равных про­порциях) свободной заливкой или под небольшим давлением воздуха. В пресс-формах модельный состав затвердевает и остывает. Затем от­ливки моделей 3 извлекают и объединяют в блоки путем соединения с отдельно изготовленными выплавляемыми моделями литниковой системы 4 (рис. 3.6, г). Для получения оболочковой формы модельный блок помещают в огнеупорную суспензию, затем вынимают и обсыпают кварцевым песком, крошкой шамота. Полученное огнеупорное покрытие подвергают сушке на воздухе или в парах аммиака. Затем на блок наносятся второй и последующие слои. Первый слой обсыпа­ют мелкозернистым песком (размер частиц 0,2...0,3 мм), последующие слои — крупнозернистым песком (рис. 3.6, д).

 

Рис. 3.6. Последовательность изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям: а - чертеж отливки; б - изготовление модели; в - модель; г - блок; д - получение мягкой оболочки; е - форма в сборе: 1 - пресс-форма; 2 - стержень; 3 - модель;

4 - литниковая система; 5 - мягкая оболочка; 6 - контейнер;

7 - песок; 8 - керамическая оболочка.

 

Обычно керамическая оболочка 8 состоит из нескольких последо­вательно наносимых слоев, обеспечивающих общую толщину стенок формы 2... 5 мм. В ряде случаев допускаются меньшие значения тол­щины стенок (0,5... 1,5 мм) керамической оболочки 8. После сушки последнего слоя модель выплавляют. Легкоплавкие составы удаляют в ваннах с горячей водой, а тугоплавкие — выплав­ляют горячим воздухом, перегретым паром под высоким давлением при температуре до 120º Си более, высокочастотным нагревом и др. Затем оболочковую форму подсушивают на воздухе и помещают в контейнер 6 (рис. 3.6, е).

Перед заливкой расплавленным металлом оболочку засыпают в опоке опорным наполнителем (кварцевым песком) в целях упроч­нения, защиты от резких изменений температуры при прокаливании и заливке металлом. Опорный наполнитель обеспечивает длительное сохранение высокой температуры в полости формы после прокали­вания и, как следствие, хорошую заполняемость формы металлом при литье тонкостенных деталей.

После этого форму помещают в печь для прокаливания при температуре 800... 1100° С в целях удаления остатков модельных со­ставов, влаги, продуктов неполного гидролиза, а также завершения процессов ее твердения. Это способствует улучшению условий за­ливки металла.

Заливка металла осуществляется в горячие или охлажденные формы. Температура формы зависит от состава литейного сплава. При заливке стали она составляет 800...900° С, сплавов на основе никеля — 900... 1000º С, меди — 600...700° С, алюминия и магния — 200... 250° С.

Качество металла отливки и его свойства зависят от состава сплава, условий его плавки и заливки расплава в форму, а также от характера процесса кристаллизации отливки. Благодаря термостойкости и прочности высоко огнеупорных обо­лочковых форм при литье по выплавляемым моделям достаточно широко используется направленная кристаллизация отливок. Это обеспечивает формирование столбчатой и монокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических и других экс­плуатационных свойств.

Достоинствами литья по выплавляемым моделям являются воз­можность получения отливок сложной конфигурации, высокие качество поверхности и точность размеров отливок, минимальные припуски на механическую обработку, использование практически любых сплавов, обеспечение качественной равноосной, столбчатой и монокристаллической структуры с высоким уровнем эксплуата­ционных свойств.

К недостаткам этого способа литья следует отнести большое количество операций, трудоемкость и длительность процесса, многообразие материалов, используемых для изготовления формы.

Способом литья по выплавляемым моделям изготавливают сложные отливки высокого качества, например, турбинные лопатки из жаропрочных сплавов, колеса насосов из коррозионностойких сплавов, детали турбомашин, постоянные магниты с определенной кристаллографической ориентацией структуры, художественные изделия и др. При этом может быть существенно уменьшена или полностью исключена механическая обработка деталей.

Литье в кокиль — это способ получения фасонных отливок в металлических формах — кокилях. При получении отливок в кокиле заполнение формы сплавом и его затвердевание происходит без какого-либо внешнего воздействия, т. е. посредством свободной заливки расплавленного металла в многократно используемую металлическую форму.

Кокили изготавливают из чугуна, стали, медных и алюминиевых сплавов. Полости в отливках получают с помощью песчаных, оболочковых или металлических стержней (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Виды кокилей:

а – неразборный (вытряхиваемый); б - с горизонтальной плоскостью разъема; в-с вертикальной плоскостью разъема и разъемным стержнем: 1 - цапфа; 2 - футеровка; 3 - облицовка; 4,5 - кокили; 6 - выталкиватель; 7 - донышко; 8,15 - левая и правая формы соответственно; 9,17 - горизонтальные стержни; 10,16 - толкатели; 11 - центирующая штанга; 12,14 - боковые стержни; 13 - центральный стержень; 18 - базовая плита;

D1, D2, D3, D4 - последовательность разборки кокиля; ММ - плоскость разъема.

 

По наличию разъемных частей и расположению в пространстве поверхности раздела различают кокили неразъемные (вытряхные, рис 3.7, а) и разъемные со стержнями, с охлаждением или без него (рис. 3.7, б, в). Технологический процесс литья в кокиль требует специальной подготовки кокиля к заливке и включает в себя следующие операции: а)очистку рабочей поверхности кокиля от остатков отработанного покрытия, загрязнений и ржавчины; б) нанесение (пульверизатором или кистью) на предварительно подогретые рабочие поверхности кокиля специальных теплоизоля­ционных слоев и противопригарных красок; в) нагрев или охлаждение кокиля до оптимальной (для каждого сплава) температуры в пределах 115... 475° С; г) сборку формы; д) заливку расплава в форму; е) охлаждение отливок до установленной температуры выбивки; ж) разборку кокиля с извлечением отливки.

Литье под давлением — способ получения отливок из сплавов цветных металлов и сталей, обеспечивающий получение отливок, размеры и форма которых максимально приближены к размерам и форме готовой детали. Это позволяет уменьшить или совсем исключить последующую механическую обработку отливок. Литье под давлением осуществляется в металлических формах. Этому способу также, как и литью в кокиль, соответствуют очень малое время остывания и кристаллизации отливок. Технологический процесс литья под давлением характеризуется коротким циклом и малым числом операций.

Так, производительность машин для литья под давлением дости­гает 50 заливок в минуту. При такой высокой скорости охлаждения и затвердевания жидкотекучесть литейного сплава оказывается недо­статочной для заполнения литейной формы самотеком. Этот недо­статок эффективно устраняется с помощью подачи расплава в полость литейной формы под давлением.

На рис. 3.8 представлены схемы различных типов машин для литья под давлением. Сущность способа состоит в том, что на расплавленный ме­талл (расплав), залитый в камеру прессования, сообщающуюся с оформляющей полостью формы, давит поршень. В результате этого расплав быстро заполняет форму и застывает в ней, приобретая очертания отливки. При литье под давлением металлическая форма (пресс-форма) заполняется расплавом под избыточным давлением (до 300 МПа), формирование отливки также осуществляется под избыточным давлением. Благодаря этому обеспечивается надежная заполняемость формы даже при пониженной температуре заливки расплава.

Машины для литья под давлением различают по роду применяемых сплавов: оло­вянных, свинцовых и цинковых сплавов; магниевых и алюминиевых сплавов; черных металлов (чугуна и стали). Каждая из машин той или иной группы может отливать более легкоплавкие сплавы, чем те, для которых она предназначена.

В зависимости от массы отливок различают малые машины — для отливок массой 50... 300 г, средние — для отливок массой 0,3... 3 кг и крупные, позволяющие получать отливки массой до 15 кг.

 

Рис. 3.8. Схемы машин для литья под давлением: а - с холодной камерой; б - с горячей камерой; в - под регулируемым давлением: 1 - толкатель; 2,3 - части пресс-формы; 4 - плунжер; 5 - пята; 6 - стержень; 7 - пресс-форма; 8 - тигель; 9 - камера;

10 - электронагреватель; 11 - металлопровод.

(P_и - давление инертного газа, Р - давление в камере)

 

Малые машины для литья под давлением выполняют полуавтоматическими или автоматическими. Автоматические машины осущест­вляют 1000... 1 200 операций в час. Располагая детали по несколько штук в форме (обычно до 10 шт.), можно получить производитель­ность до 10000 отливок в час.

Средние машины для литья под давлением выполняют полуавто­матическими, реже автоматическими - для отливок простой формы. Производительность таких машин — до 250 операций в час. Большие машины менее автоматизированы и более тихоходны — позволяют выполнять до 100 операций в час.

Литье под давлением производят на литейных машинах с холодной и горячей камерами прессования. На машинах с горячей камерой (рис. 3.8, б) камера 9 прессования расположена в электронагревателе (тигле) 10 с расплавленным метал­лом. При верхнем положении плунжера 4 расплавленный металл через отверстие заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстия перекрываются, сплав под давлением 10...30 МПа заполняет полость пресс-формы 7. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавлен­ного металла из канала сливаются в камеру прессования, а отливка из пресс-формы удаляется толкателями 1.

Машины с горячей камерой прессования используют при из­готовлении отливок малых размеров и незначительной массы (до нескольких граммов). Из-за медленного охлаждения расплава их используют в основном для литья легкоплавких (цинковых, свинцово-сурьмянистых и др.) сплавов.

Особенности способа литья под давлением обусловлены усло­виями заполнения пресс-форм и питания отливок. Расплавленный сплав заполняет пресс-форму за доли секунды (0,001... 0,6 с) при скорости до 120 м/с. С такой скоростью поступления сплава в форму турбулентный поток металла, ударяясь о стенку формы, разбивается на отдельные капли. При этом происходит закупорка вентиляционных каналов мелкодисперсными каплями металла. Вихревой поток рас­плава захватывает оставшиеся в полости формы газы — компоненты воздуха и пар от смазывающего материала, образуя при этом газоме­таллическую эмульсию, быстро затвердевающую в форме.

Вследствие этого отливки имеют специфический дефект — газовую пористость, а также низкие плотность, пластичность и механические свойства. Их нельзя подвергать термической обработке, так как при нагреве поверхность вспучивается из-за расширения газа в порах.

В момент окончания заполнения полости формы движущийся с большой скоростью сплав мгновенно останавливается. Энергия движения потока трансформируется в энергию давления, которое резко повышается и приводит к гидравлическому удару, действующему чрезвычайно короткое время. Повышенное давление прижимает металл к рабочей поверхности пресс-формы и способствует четкому оформ­лению конфигурации отливки.

В результате получается тонкостенная отливка с гладкой поверхностью, точно воспроизводящей конфигу­рацию полости пресс-формы. Тесный контакт между пресс-формой и отливкой увеличивает интенсивность теплообмена, уменьшает время затвердевания отливки. Вследствие гидравлического удара поверхност­ный слой (0,02...0,2 мм) отливок получается плотным, без газовой пористости, лишь внутренние части отливки имеют пористость.

Весь процесс литья под давлением автоматизирован, автоматиче­ски производятся смазывание пресс-форм, регулирование их тепло­вого режима, подача расплавленного металла в камеру прессования, извлечение отливки и транспортирование ее к обрезному прессу для удаления литников.

Для уменьшения возможности образования газовой и усадочной пористости в отливках применяют вакуумирование полости пресс-формы и сплава, используют толстые питатели вместо тонких щеле­вых, затвердевающие позже отливки и обеспечивающие ее полное заполнение под давлением, и др.

Достоинствами данного вида литья являются высокая произво­дительность, точность размеров и хорошее качество поверхности отливок, автоматизация процессов литья, что обеспечивает снижение в 10 раз трудоемкости изготовления отливок по сравнению с литьем в песчаные формы, получение отливок с минимальными припусками, не требующих механической обработки, возможность изготовления деталей с готовой резьбой.

Недостатками литья под давлением являются высокая стоимость пресс-форм и оборудования, ограниченность габаритных размеров и массы отливок, наличие воздушной пористости в массивных частях отливок, снижающей прочность деталей, и др.

Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном производстве при изготовлении отливок деталей различных приборов, электрических машин, карбюраторов и др.

Центробежное литье — способ получения отливок, как правило, металлических формах (изложницах), при котором расплавленный металл под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам формы и затвердевает, образуя отливку.

Центробежным способом получают отливки из чугуна, стали цветных сплавов (алюминия, цинка, меди, титана и др.) на литейных центробежных машинах. В зависимости от расположения оси вращения центробежные машины подразделяются на машины с горизонтальной (рис. 5.9), вертикальной и наклонной осью вра­щения.

Рис. 3.9. Схемы машин для центробежного литья с горизонтальной осью:

а - для изготовления коротких труб: 1 - желоб; 2 - ковш; 3 - пористый слой; 4 - изложница; б, в - для изготовления отливок с центральной полостью.

 

Внутренняя поверхность отливки при центробежном литье формируется без непосредственного контакта с литейной формой без стержней. Расплав заполняет полость литейной формы и затвердевает под воздействием центробежной силы значительно превышающей силу тяжести.

При оптимальной частоте вращения происходит хорошее за­полнение форм жидким металлом, а неметаллические включения, Ишаки и газовая пористость оттесняются к внутренней поверхности отливок. В случае превышения оптимальных значений частоты вра­щения возрастает ликвация в отливке, а также опасность образова­ния в ней трещин из-за роста давления. При невысоких значениях частоты вращения отливка плохо очищается от шлаков, в результате чего приобретает шероховатую поверхность.

Литейные формы (изложницы) предварительно нагревают или охлаждают до 300 °С, затем на рабочую поверхность наносят огне­упорное покрытие в виде краски или облицовки из сыпучих ма­териалов. Это повышает стойкость изложниц, снижает скорость охлаждения отливки, предупреждает образование спаев и трещин.

Центробежное литье широко используется в промышленности, осо­бенно для получения пустотелых отливок со свободной поверхно­стью: чугунных и стальных труб, колец, втулок, цилиндрических или конических барабанов (обечаек) и др. Фасонные отливки получают в центробежных машинах с вертикальной осью вращения в песчаных, металлических, керамических и других формах.

Достоинствами данного способа литья являются высокий выход годного литья (90...95%), получение высокой плотности и мелко­зернистости металла за счет больших скоростей охлаждения, воз­можность получения тонкостенных отливок из сплавов с низкой жидкотекучестью, возможность получения двухслойных отливок (поочередно заливают в форму различные сплавы: сталь — бронза, сталь — чугун и др.), большая производительность, возможность автоматизации.

Недостатками способа являются химическая неоднородность в толстостенных отливках, возможность деформации формы под давлением жидкого металла, разностенность по высоте отливок, по­лученных в центробежных машинах с вертикальной осью вращения, высокие внутренние напряжения в поверхностном слое, вызывающие образование трещин.

 

Ковка и штамповка

Способы обработки металлов давлением по производственному назначению подразделяют на два вида.

1. Металлургические, предназначенные для получения заготовок постоянного поперечного сечения (прутков, проволоки, листов и др.), применяемых для изготовления деталей с помощью предварительного пластического формоизменения и обработки резанием. Основными металлургическими способами обработки давлением являются про­катка, волочение и прессование.

2. Машиностроительные, предназначенные для получения деталей или заготовок, имеющих форму и размеры, приближенные к форме и размерам деталей; в машиностроении основными способами по­лучения заготовок обработкой давлением являются ковка и штам­повка.

Рис. 3.10. Основные виды обработки металлов давлением: а - прокатка; б - прессование; в,г - волочение; д - листовая штамповка(один из процессов); е - ковка; Р - усилие прижатия прокатных валков; Р_тр - усилие трения; Р_п - усилие прессования;

Р_пр - усилие протягивания; Р_к - усилие ковки; Р_ш - усилие штамповки.

 

Прокатка (рис. 3.10, а) заключается в обжатии заготовки 2 между вращающимися валками 1.

Прессование (рис. 3.10, 6) заключается в продавливании толкате­лем 4 заготовки 2, находящейся во втулке 3, через отверстие матри­цы 1.

Волочени е (рис. 3.10, в, г) заключается в протягивании заготов­ки 2 через сужающуюся полость матрицы 1; при этом поперечное сечение заготовки принимает форму поперечного сечения отверстия матрицы.

Штамповкой (рис. 3.10, д) изменяют форму и размеры заготовки с помощью специального инструмента — штампа.

Листовой штамповкой получают плоские и пространственные детали из заготовок, у которых толщина значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). При листовой штамповке (рис. 3.10, д) заготовка 3 деформируется с помощью пуансона 1 и матрицы 2.

Ковкой (рис. 3.10, е) изменяют форму и размеры заготовки 2 пу­тем последовательного воздействия универсальными инструментами 1 на отдельные участки заготовки.

При объемной штамповке (рис. 3.10, е) на заготовку, являющуюся отрезком прутка 2, воздействуют штампом 1, причем металл заготовки заполняет полость штампа, приобретая ее форму и размеры.

 

Рис. 3.11. Инструмент для ручной и машинной ковки: а - наковальня; б - кувалда;

в - ручник; г - клещи; д - бородок; е - зубило; ж - подбойник; з - обжимка;

и - плоские бойки; к - вырезные бойки; л - закругленные бойки; м - обжимки;

н - раскатки; о - пережимки; п - патроны.

 

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 деформируется и постепенно приобретает заданные форму и размеры. Ковка является единственным способом изготовления крупных поковок (массой до 250 т): валов гидрогенераторов, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и т.д. Ковку обычно применяют в мелкосерийном или единичном про­изводстве, а также для изготовления крупных поковок.

Ковка может быть свободной или в подкладных штампах, ручной или машинной, осуществляемой на паровоздушных молотах или на ковочных гидравлических прессах. При ручной ковке применяют наковальни, большие и малые мо­лотки (кувалды и ручники), клещи для захвата и поддержания заго­товки, бородки, зубила, подбойники, обжимки (рис. 3.11, а—з), при машинной ковке — бойки, обжимки, раскатки, пережимки, патроны (рис. 3.11, и-п).

Основными операциями ковки являются осадка, высадка, про­тяжка, прошивка, отрубка, гибка. Осадкой называют такую технологическую операцию обработки давлением, при которой уменьшается высота исходной заготовки при одновременном увеличении площади ее поперечного сечения (рис. 3.12).

При этом осадка цилиндрического образца может рас­сматриваться без учета трения на торцах (рис. 3.12, а) (идеальный вариант) или при наличии трения на торцах (рис. 3.12, б) (реальный вариант). Для устойчивости при осадке цилиндрических заготовок высо­та заготовки h ₀ должна быть не более 2,5 диаметров:

Рис. 3.12. Схемы осадки цилиндрического образца без трения на торцах (а - идеальный вариант) и при наличии трения на торцах (б - реальный вариант):

h_o и h₁ - исходный и конечный размеры обрабатываемого изделия; d - диаметр заготовки; d₁ - диаметр детали; Δh - величина осадки; P - усилие осадки.

 

Высадка является разновидностью осадки. При этом металл оса­живают лишь на части длины заготовки (рис. 3.13, а). Прошивка — операция получения полостей за счет вытеснения металла (рис. 3.13, б) с помощью инструмента — прошивки. Для получения требуемой формы детали используют подкладные штампы (рис. 3.14).

Рис. 3.13. Схемы высадки (а) и двусторонней прошивки (б).

Рис. 3.14. Схема штамповки в подкладных штампах.

Горячая объемная штамповка — это вид обработки металлов давлением, при которой формообразование поковки из на­гретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента, называемого штампом. При штамповке течение ме­талла ограничивается поверхностями по­лостей или выступов в отдельных частях штампа. В конечный момент штамповки металл занимает всю замкнутую полость штампа (ручей) в соответствии с конфигу­рацией поковки. Благодаря этому горячей объемной штамповкой можно получать поковки сложной конфи­гурации с минимальными напусками (или без них) и с меньшими допусками, чем при ковке (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Схемы штамповки в открытых (а) и закрытых (б) штампах: h_заз - зазор.

 

По наличию или отсутствию заусенца различают штампы открытые (рис. 3.15, а) и закрытые (рис. 3.15, б).

Штамповку подразделяют на холодную и горячую (в зависимости от температуры нагрева заготовок), формовочное, высадочное, про­шивное и т.д. (по типу операций), молотовое и прессовое (по типу применяемого оборудования).

Основными деталями штампа являются пуансон и матрица. Штампы, предназначенные для молотовых и кривошипно-горячештамповочных прессов, состоят из верхней и нижней частей, на соприкасающихся поверхностях которых имеются ручьи для по­следовательного формообразования изделия. Изготавливают штампы из углеродистых и легированных (в основном 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 находящийся в нем металл интенсивно охлаждается, увеличивается предел теку­чести металла и возрастает сопротивление перемещению заусенца. Благодаря этому заполняется вся полость штампа, и только излишки металла вытесняются в заусенцы. Заусенцы впоследствии удаляются в специальных обрезных штампах.

При штамповке в закрытых штампах зазор между подвижной инеподвижной частями штампа достаточен для относительного пере­мещения частей штампа, но не для образования заусенца. Поэтому воизбежание незаполнения углов полости штампа или увеличения высоты поковки необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки металла и поковки.

К штамповке в закрытых штампах можно отнести штамповку вы­давливанием. Горячая объемная штамповка применяется в крупно­серийном или массовом производстве, позволяет получать поковки сложной конфигурации с минимальными напусками и меньшими (по сравнению со стандартными методами) 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 при ковке одинаковых поковок. Поэтому масса поковок, изготавливаемых объемной штамповкой, редко пре­вышает 20 кг.

Основным оборудованием для ковки и штамповки являются ковочные и штамповочные молоты и прессы. Ковочный молот служит для обработки металлических заготовок ударами падающих частей. По роду привода молоты бывают паровоздушные (рис. 3.16, а), пневматические (рис. 3.16, б), механические, гидравлические.

Рис. 3.16. Принципиальные схемы молотов: а - паровоздушного:1 - баба; 2 - направляющие; 3 - поршень; 4 - цилиндр для подачи пар; 5 - нижний боек; б - пневматического: 1 - рабочий цилиндр; 2 - компрессорный цилиндр; 3 - поршень компрессорного цилиндра; 4 - шатун; 5 - вал; 6,7 - верхний и нижний золотник соответственно;

8 - поршень рабочего цилиндра; 9 - баба молота; 10 - верхний боек; 11 - нижний боек.

 

Паровоздушные молоты (см. рис. 3.16, а) приводятся в действие паром или сжатым воздухом под давлением 0,7... 0,9 МПа. Перемеще­ние бабы 1 относительно направляющих 2 происходит при движении поршня 3 под действием сжатого пара или воздуха. При подаче пара (или воздуха) в верхнюю полость цилиндра впадающие части пере­мещаются вниз и наносят удар по заготовке, уложенной на нижний боек 5. При подаче пара (или сжатого воздуха) в нижнюю полость цилиндра падающие части поднимаются в верхнее положение.

Пневматические молоты (см. рис. 3.16, б) содержат два цилин­дра: рабочий 1 и компрессорный 2. Поршень 3 компрессорного цилиндра перемещается шатуном 4 от кривошипного вала 5. При этом воздух поочередно сжимается (р = 0,3 МПа) в верхней или нижней полостях цилиндра и при нажатии на педаль или рукоятку, открывающую золотники 6 и 7, поступает в рабочий цилиндр 1. Рабочий цилиндр действует на поршень 8. Поршень вместе с мас­сивным штоком 9 одновременно является бабой молота, в которой крепится верхний боек 10, При перемещении падающих частей вниз верхний боек ударяет по заготовке, уложенной на неподвижный нижний боек 11.

Основание ковочного молота (шабот) имеет массу, в 8 — 15 раз превышающую массу падающих частей. Ша­боты штамповочных молотов еще массивнее — в 20 —30 раз больше массы падающих частей. Это обеспечивает высокий КПД удара (η= 0,8... 0,9) и высокую точность соударения частей штампа. Кроме того, для этой же цели молоты имеют усиленные регулируемые на­правляющие для движения бабы.

По способу работы различают молоты простого и двойного дей­ствия. В молотах простого действия падающая часть (баба) падает свободно под действием собственной силы тяжести, а в молотах двойного действия она дополнительно разгоняется. Скорость бабы высокоскоростных молотов может достигать 25 м/с, а у обычных молотов 3...6 м/с.

Паровоздушные ковочные молоты имеют массу падающих частей 500... 5 000 кг, а штамповочные — 500... 30 000 кг. На ковочных молотах изготовляют поковки массой 20... 2 000 кг, как правило, из прокатан­ных заготовок или из слитков. Максимальная масса штампованных поковок — 1 000 кг.

Рис. 3.17. Схема кривошипного штамповочного пресса:1 - пуансон; 2 - упор; 3 - привод;

4 - электродвигатель; 5 - подвижная матрица; 6 - приводной вал; 7 - главный ползун;

8 - крышка; 9 - кривошипный вал; 10 - кулиса; 11,12 - верхний и нижний бойки.

 

У бесшаботных паровоздушных молотов шабот заменен нижней подвижной бабой, соединенной с верхней бабой механической или гидравлической связью.

Необходимый молот выбирают на основании расчета или по спра­вочным таблицам.

Кривошипные штамповочные прессы имеют постоянный ход, равный удвоенному радиусу кривошипа (рис. 3.17). Штамповка на кривошипных прессах характеризуется высокой производитель­ностью и точностью заготовок по высоте. Заготовка извлекается из штампа при обратном ходе его верхней части с помощью выталкивателей. Благодаря этому удобно штампо­вать в закрытых штампах выдавливанием и прошивкой.

Кривошипные штамповочные прессы усилием 6,3... 100 МН успешно заменяют штамповочные молоты с массой падающих частей 630... 10000 кг. Однако стоимость кривошипного горячештамповочного пресса в 3 — 4 раза выше стоимости эквивалентного по техно­логическим возможностям молота.

Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) (рис. 3.18) имеют штампы, со­стоящие из трех частей: неподвижной матрицы 3, под­вижной матрицы 5 и пуансона 1, размыкающихся в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Рис. 3.18. Схема ГКМ

 

Пруток 4 с нагретым участком, обращенным к пуансону, закладывают в неподвижную матрицу 3. Положение прутка фиксируется упором 2. При включении ГКМ по­движная матрица 5 прижимает пруток к неподвижной матрице, упор 2 отводится в сторону, а пуансон 1 ударяет по выступающей части прутка, деформируя ее. Работа ГКМ поясняется кинематической схемой, приведенной на рис. 3.19.

Главный ползун 7, несущий пуансон, приводится в дви­жение от кривошипного вала 6 с помощью шатуна 5. Подвижная щека 1 приводится в движение от бокового ползуна 3 системой рычагов 2. Боковой ползун приводится в движение кулачками 4, установленными на конце кривошипного вала 6. Горизонтально-ковочные машины обычно строят с усилием до 30 МН. Основными операциями, выполняемыми на ГКМ, явля­ются высадка, прошивка и пробивка.

Штамповку на ГКМ можно выполнять за несколько проходов в отдельных ручьях, оси которых расположены горизонтально одна над другой. Каждый переход выполняется за один рабочий ход ма­шины.

 

Рис. 3.19. Кинематическая схема горизонтально-ковочной машины:1 - подвижная

щека; 2 - система рычагов; 3 - ползун; 4 - подвижные кулачки; 5 - шатун;

6 - кривошипный вал; 7 - главный ползун.

 

Действие гидравлического пресса основано на законе гидроста­тического давления Паскаля, который в 1698 г. указал, что «сосуд, наполненный водой, является но­вой машиной для увеличения сил в желаемой степени» (рис. 3.20). Усилие современных гидравлических штамповочных прессов (рис. 3.21) достигает 750 МН.

 

Рис. 3.20. Схема к объяснению закона Паскаля.

 

Рис. 3.21. Принципиальная схема гидравлического пресса.

 

Листовая штамповка предназначена для получения разнообразных плоских и пространственных изделий типа облицовочных автомобильных деталей, деталей самолетов, ракет и других изделий сложной формы. Листовую штамповку применяют в автомобильной, авиационной, электротехнической промышленности, в тракторостроении, приборостроении и др.

Листовая штамповка снижает объем обработки резанием, обеспечивает высокие точность размеров и производительность (до 40 тыс. деталей в смену с одной машины). В качестве заготовок используют лист, полосу или ленту. Толщина заготовок обычно не превышает S ≤ 10 мм.

Как правило, при листовой штамповке пластическую деформацию, обеспечивающую необходимые форму и размеры, получает лишь часть заготовки. Толщина стенок штампованных деталей незначительно отличается от толщины заготовок. Операции, в которых изменяются лишь форма и размеры заготовки без разрушения ее в процессе деформирования, называются формоизменяющими. О перации, обуславливающие разрушение материала заготовки, называются разделительными.

К числу формоизменяющих операций листовой штамповки относят гибку, вытяжку, отбортовку, обжим, раздачу и др. (рис. 3.22).

Гибка (рис. 3.22, а) применяется для изменения кривизны заготовки практически без изменения ее линейных размеров. В результате такого деформирования часть заготовки поворачивается относительно другой на определенный угол. Пластическая деформация при гибке сосредотачивается на узком участке, контактирующем с пуансоном.

При гибке не допускается разрушение материала, образование трещин, складок. Наиболее слабым местом является зона деформаций растяжения в наружном слое детали на участке закругления пуансона. При уменьшении от­ношения радиуса закругления R к толщине заготовки S деформация возрастает. Поэтому для предотвращения появления трещин, складок или разрушения заготовки ограничивают минимальные размеры радиуса закругления пуансона: R_min = (0,1...2) S.

Рис. 3.22. Операции листовой штамповки: а - гибка; б - вытяжка; в - отбортовка;

г - обжим; д - раздача.

Рис. 3.23. Схема вытяжки:1- матрица с рабочим диаметром D_м и радиусом закругления R_м; 2 - полуфабрикат; 3 - прижим; 4 - пуансон с рабочим диаметром D_п и радиусом закругления R_п; 5-заготовка под вытяжку диаметром D_з и толщиной S.

Вытяжка (см. рис. 3.22, б) заклю­чается в протягивании заготовки через отверстие матрицы, причем плоская заготовка превращается в полое изделие, а у пространственной заго­товки уменьшаются поперечные размеры (рис. 3.23). Вытяжка может осуществляться без утонения или с утонением стенки заготовки.

Формоизменение при вытяжке (рис. 3.23) оценивают отношением диаме­тра D₃ заготовки (типа диска, фланца) к диаметру d полученной детали типа цилиндр, которое называется коэффициентом вытяжки:

К_п = D₃ / d

При вытяжке без измерения толщины стенки зазор z между пуансоном и матрицей должен быть больше толщины s заготовки: z = (1,1 ... 1,3 )S. При вытяжке с изменением толщины стенки последняя за один переход может быть уменьшена в 1,5 —2 раза, при этом зазор между пуансоном и матрицей должен быть меньше толщины стенки, а удель­ные усилия будут большими. Вытяжку с утонением применяют для устранения опасности складкообразования, а также для получения деталей со стенками, толщина которых меньше толщины донышка.

Усилие вытяжки в момент, когда заготовка полностью охватит скругленную кромку матрицы, может быть определено по формуле:

Р_выт = 2πR_мSQ_рmax,

где Q_рmax — истинная прочность материала заготовки при полном упрочнении.

При отбортовке часть заготовки, граничащая с предварительно пробитым отверстием, вдавливается в матрицу, при этом размеры отверстия увеличиваются, и этот участок заготовки приобретает цилиндрическую форму (см. рис. 3.22, в). Допустимое без разрушения увеличение диаметра отверстия при отбортовке зависит от механических свойств материала заготовки и ее относительной толщины s/d_Q и составля­ет d/d_Q = 1,2.,. 1,8, где d_Q — первоначальный диаметр заготовки.

При обжиме (см. рис. 3.22, г) полая тонкостенная цилиндри­ческая заготовка подается в отверстие матрицы, в результате чего происходит уменьшение поперечных размеров.

При раздаче (см. рис. 3.22, д) пуансон внедряется в полую тон­костенную цилиндрическую заготовку, и ее поперечные размеры в очаге деформации увеличиваются. При рассмотрении напряженного и деформированного состояний в очаге деформации при анализе операций листовой штамповки обычно пользуются полярной системой координат с полюсом, совпадающим с центром кривизны срединной поверхности заготовки в данный момент деформирования (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Схема напряжений при листовой штамповке: R_н - наружный радиус заготовки до деформации; Р_н - переменный радиус в полярной системе координат; r_вн - внутренний диаметр детали; σ - напряжения; ε - деформации; и