Штамповка в открытых и закрытых штампах.

Раздел I. Художественная обработка металлов давлением (ХОМ). (16 час.)

Штамповка.

Введение. Основные понятия.

Объемная штамповка.

Основные понятия.

Штамповка в открытых и закрытых штампах.

Штамповка в многоручьевых штампах.

Штамповка в холодном состоянии.

Отделочные операции штамповки.

Листовая штамповка.

Введение.

Разделительные операции листовой штамповки.

Формоизменяющие операции листовой штамповки.

Штамповка.

Введение. Основные понятия.

Штамповкой называется процесс обработки металлов давлением, при котором формообразование детали осуществляется в специализирован-ном инструменте - штампе. Чаще всего штамповке подвергаются металлы или пластмассы.

Еще древнерусские кузнецы умело применяли горячую штамповку в примитивных штампах. Штамповка развивалась одновременно со свободной ковкой, рассмотренной ранее. Люди давно знали холодную штамповку, они умели изготавливать штамповкой монеты и медали из меди, серебра и золо-та. При обработке железа также иногда применялась холодная штамповка. Но без предварительного нагрева получать штампованные изделия желаемой формы из железа не удавалось, так как требовались очень большие усилия. Изделия же, полученные свободной ковкой, были грубыми, для их обработки требовалось много ручного труда. Поэтому надо было искать более выгод-ный способ для получения всевозможных изделий из металла. Таким спо-собом явилась горячая штамповка металлов.

Горячая штамповка была применена впервые в России тульским оруже-йником Василием Пастуховым. Еще в 1800 году он изготовлял различные де-тали оружия штамповкой из черных металлов, используя для этого винтовой вертикальный пресс и примитивные штампы. Горячая штамповка позволяла обойтись без последующей ручной обработки деталей, также стало возможно получать взаимозаменяемые детали. Это был очень большим достижением. Вот почему уже с 1819 года на Тульском заводе стали применять одноручь-евую молотовую штамповку для массового изготовления многих оружейных деталей, хотя этот процесс тогда носил довольно примитивный характер.

В настоящее время штамповка имеет очень широкое применение в про-мышленности, так как из всего металла обработке штамповкой подвергается до 20%.

Различают следующие виды штамповки:

а) по виду заготовки - листовая штамповка и объемная штамповка. Листовая штамповка подразумевает в исходном виде тело, одно из измерений которого пренебрежимо мало по сравнению с двумя другими (лист толщиной до 6 мм). В противном случае штамповка называется объёмной (рис. 1).

Рис. 1. Схемы листовой штамповки (слева) и объемной штамповки (справа):

а) – в открытом штампе ( с образованием облоя); б) – в закрытом штампе (без образования облоя): 1 - верхний штамп; 2 - изделие (штамповка); 3 - облой; 4 нижний штамп; 5 – выталкиватель.

В свою очередь листовая штамповка по типу применяемой оснастки подразделяется на следующие виды:

• штамповка в инструментальных штампах;
• штамповка эластичными средами;
• импульсная штамповка:
• магнитно-импульсная;
• гидро-импульсная;
• штамповка взрывом;
• валковая штамповка;

б) по температуре процесса – горячая штамповка и холодная штамповка.

При художественной обработке материалов применяют, как правило, объемную штамповку и листовую штамповку в инструментальных штампах. По сравнению с ковкой штамповка обеспечивает большую производитель-ность благодаря тому, что пластически деформируется одновременно вся заготовка или значительная её часть. Однако поскольку стоимость штампов наряду со стоимостью металла заготовки является основной составляющей себестоимости поковки, применение штамповки (в особенности объемной) экономически оправдано только при достаточно массовом производстве.

В тоже время при мелкосерийном производстве применяются особые способы штамповки: штамповка эластичными средами (жидкостью, резиной, полиуретаном и т.п.), импульсная штамповка, использующая энергию удар-ной волны в жидкости (взрывная и электрогидравлическая штамповка) или действие мощных быстроменяющихся магнитных полей (электромагнитная штамповка). С целью увеличения допустимого формоизменения заготовки иногда применяется штамповку с дифференцированным нагревом. В этом случае деформируемая часть заготовки нагревается за счёт контакта с нагре-тым инструментом или при прохождении через неё электрического тока. Рациональное распределение температур в заготовке и соответственно меха-нических свойств металла значительно повышает допустимое формоизме-нение заготовки.

Объемная штамповка.

Основные понятия.

Штамповку осуществляют на различных машинах: штамповочных молотах, кривошипных горячештамповочных прессах, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных и горизонтально-гибочных машинах, ковочных вальцах и др., которые были рассмотрены ранее.

Объёмная штамповка - это вид обработки металлов давлением, при

котором формообразование поковки из заготовки осуществляют с помощью специального инструмента - штампа.

Штампы представляют собой массивные толстостенные детали, в которых выполнены рабочие полости - гравюры, формообразующие поковку. Иными словами штампы представляют собой стальные бойки с вырезами (ручьями), очертания которых соответствуют конфигурации изготавливаемой поковки. Штамп состоит минимум из двух частей - половин. Поверхность совпадения частей штампа называют поверхностью разъема. Штамп, состоящий из нескольких частей, каждая из которых имеет часть общей гравюры, называют многоразъемным. Штампы закрепляются при помощи "ласточкиного хвоста" в подвижной верхней части молота или пресса (бабе) и нижней штамподержателе (шаботе). В полость нижней половины штампа кладут нагретую заготовку и затем верхней половиной штампа наносят удары или давят, в результате которых металл заполняет полость штампа.

Необходимо учитывать, что в отличие от универсального инструмента свободной ковки, штамп годен для изготовления только той поковки, для которой он спроектирован и изготовлен.

Штампы подвергаются чрезвычайно высоким нагрузкам – механичес-ким и тепловым. При штамповке стали удельные усилия на поверхности гра-вюры достигают 1 ГН/м², а температура на контакте с поковкой составляет 700-800 °С, поэтому штампы изготовляют из закаленной и отпущенной шта-мповой стали, легированной хромом, никелем, вольфрамом, молибденом, ва-надием. Как пример можно привести следующие инструментальные марки стали для изготовления штампов: У8, У10, ЭХВ8, 7ХС, 5ХГС и др. В про-цессе изготовления штампы подвергают закалке с низким и средним отпус-ком. Стойкость штампа определяется количеством годных поковок, изго-товленных при помощи этого штампа до износа. Стойкость горячих штампов обычно невелика - 3000-10000 шт. поковок. Учитывая высокую стоимость штампа, следует еще раз отметить, что горячая штамповка выгодна только для достаточно больших партий деталей (тысяч и десятков тысяч штук).

Течение металла в штампе ограничивается поверхностями его полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость (ру-чей) по конфигурации поковки. В качестве заготовок для горячей штамповки применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также иногда периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя существуют технологические процессы, когда штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штампово-чной машине.

При использовании штамповки значительно повышается производи-тельность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точ-ность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки.

Штамповка в открытых и закрытых штампах.

Объемная штамповка (она бывает горячей и холодной) подразделяется укрупненно на два следующих вида – облойную штамповку в открытых штампах и безоблойную штамповку в закрытых штампах.

Штамповка в открытых штампах (рис. 2 а) характеризуется перемен-ным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор в конечный момент деформирования выжимается лишний металл, образуя заусенец, что позволяет не предъявлять особо высоких требований к точно-сти заготовок по массе. Заусенец (облой) затем обрезается в специальных штампах или при механической обработке.

Рис. 2. Штамповка в открытых (а) и закрытых (б) штампах:

1–нижняя половина штампа;2–верхняя половина штампа;3–поковка;4 – зазор.

Штамповка в закрытых штампах (рис. 2б) характеризуется тем, что по-лость штампа в процессе деформации остается закрытой. Зазор между под-вижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование заусенца в нем не предусмотрено. При таком способе штамповки необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполнятся углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Следо-вательно, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, посколь-ку отрезка заготовок должна производиться с высокой точностью. Сущест-венным преимуществом штамповки в закрытых штампах является уменьше-ние расхода металла (нет отхода в заусенец) на 10 – 15%.

Рассмотрим, что же происходит с металлом при объемной штамповке. Штамповка металла производится лишь тогда, когда металл обладает дос-таточной пластичностью. При этом металл может быть как нагретым, так и холодным. Указанное выше свойство пластичности обуславливает свободное течение металла и хорошее заполнение формы или, как говорят, ручья штам-па. Сравните! При изготовлении литых деталей металл заливают в форму в жидком состоянии и он свободно заполняет ее без приложения каких-либо внешних сил. А при штамповке металл не обладает такой текучестью, хотя нагретая до определенной температуры, например, 1200 ⁰ С сталь, становится очень пластичной, как говорят, «тестообразной» и оказывает очень неболь-шое сопротивление изменению ее формы. Все же, чтобы заполнить таким металлом сложную форму, необходимо приложить к нему внешнюю нагру-зку через давление пресса или удар молота.

Если рассматривается процесс штамповки в открытый штамп, то при заполнении его полости металлом некоторая часть его вытекает в облойную канавку, которая состоит из мостика и магазина (рис. 3) и формирует заусе-нец (облой), имеющий более тонкую часть, но меньшую по ширине (примы-кающую к полости ручья штампа) и более толстую часть – большую по ши-рине, расположенную по внешнему контуру поковки.

Рис. 3. Схема и элементы канавки молотового штампа.

1 – мостик; 2 – магазин; 3,4 – нижняя и верхняя половины штампа; 5 – полость окончательного ручья штампа.

Мостик, формирующий тонкую часть заусенца, создает в процессе де-формирования перемычку, играющую роль пояска, сдерживающего прежде-временный выход металла заготовки за пределы полости окончательного ручья, тем самым, способствуя получению полноценной поковки. Магазин выполняет функцию приемника вытесняемого избыточного металла, кото-рый создает значительное противодавление течению металла в зазор между верхней и нижней частями штампа. За счет этого материал заготовки затекает в глубокие полости и углы ручья штампа. Заполнение ручья штампа метал-лом можно разделить на несколько стадий.

В первой стадии происходит сводная осадка заготовки в полости штампа, которая сопровождается частичным выдавливанием металла в углубления (полости) или прошивкой металла заготовки. Усилие штамповки на этой стадии небольшое.

По достижении металлом боковых стенок ручья начинается вторая

стадия штамповки. Она характеризуется возрастанием усилия штамповки и протекает до начала образования заусенца.

На третьей стадии штамповки избыточный металл вытекает в канав-ку, что сопровождается значительным возрастанием необходимого для де-формации усилия. При этом половинки штампов соединяются через заусе-нец, полость закрывается. Происходит интенсивное заполнение углов ручья.

Четвертая стадия - окончательная штамповка поковки до заданной высоты. Затраты энергии на эту стадию составляют от 30 до 50%, а абсолют-ная величина деформации лишь до одного процента!

Отметим, что при рассмотренном варианте штамповки облой необхо-дим, так как без него полость штампа не заполнится металлом. Действитель-но, при деформировании металл подчиняется закону наименьшего сопротив-ления. Это означает, что если металл может течь при деформировании в ра-зных направлениях, то каждая его частица течет в том направлении, где со-противление течению металла наименьшее. Так течет металл и при объемной штамповке в штампах. Полость штампа может быть заполнена металлом лишь в том случае, если сопротивление течению металла в полость будет ме-ньше, чем сопротивление течению металла в облой. Облойная канавка в шта-мпе для того и делается, чтобы оказывать большее сопротивление истечению металла из штампов и заставлять его течь в полость штампа. Кроме того, в облойную канавку вытекают и все излишки металла, которые имелись в за-готовке. Эти излишки металла вытекают в магазин облойной канавки. При-чем штамповка всегда ведется так, чтобы магазин с металлом полностью ни-когда не заполнялся. В противном случае излишки металла не поместятся в магазине и течение металла в штампе прекратится, при этом половинки шта-мпа не смогут сомкнуться друг с другом, а деталь получится недоштампован-ной, т.е. с размерами по высоте больше требуемого. Сопротивление истече-нию металла из штампа оказывает, главным образом, мостик облойной ка-навки. Таким образом, облойная канавка у штампа необходима и должна иметь вполне определенные размеры. Для правильного течения при штампо-вке очень важно правильно определять эти размеры. Мостик облойной кана-вки оказывает тем большее сопротивление течению металла, чем больше его ширина и меньше его высота. Для увеличения сопротивления мостика его делают более грубым, не полируют и во время штамповки не смазывают. Полость же штампа наоборот для того, чтобы металл легче в него затекал, делают полированной и при штамповке периодически смазывают. Чем слож-нее форма штампа, тем большее сопротивление должна оказывать облойная канавка.

Еще раз отметим, что рассмотренный штамп называют открытым шта-мпом, в них можно получать штамповки всех типов, но чаще всего штампу-ют, как правило, поковки сложной формы.

Если же поковка имеет простую форму и представляет собой тело вра-щения или имеет постоянное поперечное сечение по длине, то для ее полу-чения можно применять закрытые штампы. Как видно, из представленного выше рис. 2б закрытые штампы в течение всего процесса штамповки оста-ются закрытыми и не дают возможности металлу вытекать из них. Напом-ним, что, так как облой в этих штампах не образуется, то такую штамповку называют безоблойной.