Свободная ковка и объемная штамповка

Свободная ковка и объемная штамповка

Введение

Свободная ковка и объемная штамповка являются одним из видов обработки материалов давлением. Горячая штамповка является важнейшей областью металлообработки. Современная технология горячей штамповки - сложный комплекс различных по своему характеру операций.

Основными операциями этого комплекса являются: приемка и разделка исходных материалов на мерные заготовки; нагрев металла перед штамповкой; штамповка на молотах, прессах, ГКМ; обрезка облоя и прошивка отверстий поковок; термическая обработка; очистка поверхности; правка и чеканка; межоперационный и окончательный контроль качества заготовок и поковок.

Горячая объемная штамповка на молотах до настоящего времени остается наиболее широко применяемым и экономичным способом производства поковок в первую очередь с тонкими полотнами (типа рожковых гаечных ключей), рычагов и вилок с тонкими стержнями, поковок типа развилин, гусеничных тракторов и т.д. Штамповка на молотах может осуществляться в открытых и закрытых штампах, одноручьевых и многоручьевых, из мерных и фасонных (предварительно спрофилированных) заготовок.

Для повышения производительности и упрощения конфигурации поковок применяется многоштучная штамповка. На молотах возможна штамповка от прутка с отделением поковок отрубным ножом в том же штампе.

1. Описание детали

Деталь «Колесо зубчатое» изготовлена из материала Сталь 18ХГТ, состав которой по ГОСТ 4543-61:

Углерод - 0.17 - 0.23%

Марганец - 0.8 - 1.1%

Хром - 1.0 - 1.3%

Титан - 0.06 - 0.12%.

Деталь применяется в зубчатой передаче.

2. Разработка чертежа поковки

Основными исходными данными при разработке технологического процесса горячей штамповки является чертеж готовой детали с техническими условиями и программа выпуска поковок, которая обуславливает выбор способа штамповки и варианта техпроцесса.

.1 Разъем штампа

Расположение поковки в штампе в зависимости от ее конфигурации должно обеспечивать свободное извлечение поковки из штампа. Положение линии разъема определяется при установлении штамповочных уклонов после назначения припусков.

При выборе положения линии разъема нужно учитывать, что:

заполнение осадкой происходит легче, чем вдавливанием;

заполнение ручья в верхнем штампе происходит легче и качественнее, чем в нижнем.

На начальной стадии проектирования разъем находится в плоскости 2-х максимальных взаимноперпендикулярных габаритных размеров поковки.

Изменение положения линии разъема допускается при: уменьшении количества ручьев; значительном снижении поковки; упрощении обрезного инструмента; отсутствии на некоторых поверхностях поковки штамповочных уклонов.

Поверхность разъема может быть плоской, симметрично изогнутой и несимметрично изогнутой.

Учитывая данные рекомендации, принимаем поверхность разъема - плоская.

2.2 Назначение припусков и допусков

Припуски и допуски устанавливаются в зависимости от конструктивных характеристик поковок, которые определяются в соответствии с классом шероховатости обработанной поверхности детали, изготовляемой из поковки, величиной размера и исходным индексом.

Основные припуски на механическую обработку, а также допуски и допускаемые отклонения размеров назначаются по ГОСТ 7505-89.

В соответствии с ГОСТом исходный индекс выбирается в зависимости от массы поковки (расчетной), марки стали, степени сложности и точности поковки. Масса поковки расчетная находится по формуле:

,

где т_пр - масса поковки расчетная;

т_д - масса детали;

К_р - коэффициент, учитывающий конфигурацию детали (устанавливается по [1], табл.20), К_р=1,65.

Массу детали определяем при помощи пакета Компас-3D (рисунок 1).

Рисунок 1 - Окно программы с расчетом массы модели (детали)

, кг.

Пользуясь ГОСТом, определяем:

класс точности - Т4;

группа стали - М2.

Для определения степени сложности поковки находим объем описывающей поковку фигуры (цилиндра).

Размеры описывающего цилиндра:

 мм

 мм

Масса описывающей фигуры (расчетная):

 кг.

В зависимости от соотношения G_пр / G_ф=0.378 выбираем степень сложности С2 [2, с. 6].

С учетом класса точности, группы стали, степени сложности и массы поковки выбираем исходный индекс - 14.

Основные припуски на размеры, мм [1, табл. 3]:

.5- диаметр 225 мм и чистота поверхности 10;

.0 - диаметр 46 мм и чистота поверхности 10;

.5 - толщина 72 мм и чистота поверхности 10;

.7 - толщина 30 мм и чистота поверхности 20.

Дополнительные припуски.

Припуск на отклонение от плоскостности - 0.5 мм [1, табл.5].

Припуск на смещение по поверхности разъема штампа - 0.3 мм [1, табл.4].

Штамповочные уклоны.

На наружной поверхности - 7є;

на внутренней поверхности - 10є.

Радиусы закруглений.

Наружные радиусы - 2 мм;

внутренние радиусы - 8 мм и 12 мм.

Размеры поковки, мм:

диаметр  принимаем 231;

диаметр  принимаем 41;

толщина  принимаем 78;

толщина  принимаем 35.

При прошивке поковок с отверстием возможно получение наметок. Проверяем возможность выполнения наметки:

.

Так как  диаметра отверстия поковки, значит наметка выполняется.

Толщина пленки находится по формуле:

.

Принимаем 6 мм.

Принимаем 35 мм.

Допускаемые отклонения размеров, [1, табл. 8]:

диаметр  диаметр

диаметр  толщина

толщина

Неуказанные допуски радиусов скругления [1, табл. 17]:

наружных - 1.0 мм; внутренних - 3.0 мм.

Допускаемое смещение по поверхности разъема штампа [1, табл. 9] - 0.8 мм.

Допускаемая величина остаточного облоя - 1.0 мм [1, табл. 10].

Допускаемая высота заусенца на поковке не более 3 мм.

По полученным размерам строится чертеж холодной поковки.

По чертежу холодной поковки строим компьютерную модель и уточняем объем и массу поковки (рисунок 2).

Рисунок 2 - Окно программы с расчетом массы модели (поковки)

кг.

По чертежу холодной поковки строится чертеж горячей поковки путем изменения соответствующих размеров на величину тепловой усадки - 1,15%.

3. Расчет и оптимизация технологических параметров при штамповке на молотах

Штамповка на молотах зависит от способа штамповки, формы и размеров изготовляемых поковок. Имеет место два способа штамповки: штамповка плашмя (ось заготовки перпендикулярна действующему усилию) и штамповка осадкой в торец (ось заготовки параллельна действующему усилию). В данном курсовом проекте мы используем второй способ штамповки.

Рисунок 3 - Схема заусенечной канавки

Для расчета и оптимизации технологических параметров необходимо в первую очередь вычислить высоту мостика:

где  - безразмерный коэффициент, ;

 - площадь поковки в плане,

Выбираем стандартные значения размеров облойной канавки [2, табл. 3.1]:_з=4.0 мм; b=11 мм; b1=30 мм; h1=6.0 мм; S_зк=2.68 см².

Объем металла, идущего в облой, (предварительный расчет) равен:

 мм³.

.1 Расчет заготовки

Предварительный объем заготовки:

,

где д - коэффициент, учитывающий угар металла при нагреве (д=1).

 мм³.

Определение диаметра заготовки, отрезаемой от прутка для последующей обработки:

,

где m - коэффициент, учитывающий соотношение H₀/D₀ без возможной потери устойчивости заготовки при ее осадке (m=2.2).

 мм.

Принимаем ближайшее стандартное значение D_заг= 85 мм. Высота заготовки H_заг=m D_заг=187 мм.

Оптимизация размеров облойной канавки для молотового штампа.

Толщина мостика находится по формуле:

.

 мм. Принимаем h_з=4 мм.

Ширина мостика:

,

где S - обобщенный критерий сложности поковки (S=3.2 [3, с.30]).

 мм.

Принимаем размеры заусенечной канавки:_з=4.0 мм; b=14 мм; b1=30 мм; h1=6.0 мм; R=2.0 мм.

Расход металла с облоем (отношение массы заготовки к массе поковки) находится по формуле:

,

где T=S(D_заг/D_n)²г²=72.2 - критерий для учета соотношения формы поковки и заготовки, диаметра заготовки и положения наружной и внутренней плоскостей разъема;

г=H_n/(h₀+h_p)=12.8;

₀ - минимальное расстояние между теми плоскостями в сомкнутом штампе, на которые опирается заготовка в исходном состоянии (6 мм);_p - расстояние между внутренней и наружной плоскостями разъема штампа (0 мм).

Уточняем массу заготовки:

кг.

Длина отрезаемой от прутка заготовки:

 мм. Принимаем 180 мм.

Предварительная осадка обусловлена сложностью отрезки на ножницах коротких заготовок, искажением их формы при резке, необходимостью удаления окалины, образовавшейся на поверхности заготовки после нагрева, уменьшения износа ручья для штамповки.

Зависимость между размерами осаженной заготовки, ее массой и критерием сложности поковки имеет следующий вид:

Диаметр осаженной заготовки:

 мм.

Высота осаженной заготовки: H_oc=158·0.3=47.4 мм. Принимаем 48 мм.

3.2 Определение массы падающих частей молота

Масса падающих частей молота двойного действия определяется по энергии деформации, необходимой для оформления поковки в окончательном ручье.

Теоретический расчет массы падающих частей молота в открытых штампах для круглых в плане поковок [3, с. 33]:

,

где у_в=6.5 кг/мм² - сопротивление деформированию при температуре окончания штамповки.

Стандартная масса падающих частей молота G₀=2.0 т.

.3 Определение экономических показателей использования металла

Норма расхода металла (кг) на одну заготовку:

,

где  - коэффициент, учитывающий угар металла при подготовке штанг перед резкой ( при ),

 - коэффициент, учитывающий отход металла при раскрое прутка

где  - сумма абсолютных линейных потерь металла при отрезке,

 - торцевые отходы , так как ;

 - некратность, характерная при раскрое проката интервальной длины,

;

 - длина опорного конца заготовки .

Тогда норма расхода:

.

Коэффициент выхода годного:

.

Коэффициент использования металла:

.

4. Температурный интервал штамповки и выбор нагревательного устройства

Температурный интервал ковки и штамповки устанавливается на основании следующих данных:

диаграммы состояния сплава;

комплекса лабораторных испытаний, связанных с определением свойств металла при повышенных и высоких температурах;

изучения зависимости строения металла от времени пребывания его при повышенных и высоких температурах.

Повышенная температура начала ковки может привести к перегреву и пережогу металла.

Несоблюдение температуры конца ковки приводит к образованию крупнозернистой структуры (при слишком высокой температуре конца ковки) или к наклепу и трещинам ( при слишком низкой температуре конца ковки).

Для стали 18ХГТ [6, с 99]:

температура начала ковки - 1200 °С;

температура конца ковки не выше - 850 °С и не ниже - 780 °С;

рекомендуемый температурный интервал ковки: 1180 - 800 °С.

Частота тока при ускоренном индукционном нагреве заготовки 2500 Гц, время нагрева - 140 с [6, с. 152].

Характеристики индуктора [6, с. 159]: внутренний диаметр - 130 мм; длина обмотки - 1680 мм; число витков - 37; количество заготовок в индукторе - 10; частота тока - 2500 Гц; напряжение - 1000 В; средняя мощность генератора - 485 кВт; темп выдачи заготовок в сек - 12; время нагрева заготовки - 140 с.

5. Конструирование молотового штампа

Молотовые штампы изготавливаются из кованых призматических заготовок из легированных сталей (штамповые кубики), из конструкционных сталей со вставками из легированных сталей, а также литые.

Размеры штампа выбираются в зависимости от:

количества и расположения ручьев,

расстояния между ручьями и стенками штампа,

с учетом опорной поверхности хвостовика и поверхности соударения.

На одну тонну падающих частей молота свободная поверхность, неизрезанная ручьями и замками, должна составлять:

не менее 300 см² для молотов до 4-х тонн;

не менее 250 см² для молотов свыше 4-х тонн.

Высота штампа выбирается в зависимости от глубины ручья и предусматривает:

возможное строгание зеркала штампа на полную глубину ручья при восстановительных работах;

масса верхней части штампа должна бать меньше допустимой;

зазор между штампом и направляющими молота не менее 20 мм;

передняя и задняя части штампа не должны свисать с шабота более, чем на 1/3 высоты кубика.

С учетом данных рекомендаций конструируем молотовой штамп.

Т.к. штамповка производится без предварительного ручья, то центр окончательного штамповочного ручья совмещаем с центром штампа.

Толщина стенки между ручьем и гранью штампа S=T. Величина Т определяет влияние параметров менее глубокой смежной полости, со стороны которой возможно разрушение стенки.

Из [6, рис. 46, стр. 115] по параметрам (h, R, б) находим значение Т=25мм

Определяем размеры клещевины.

Ширина клещевины

 B=110 мм.

Высота клещевины

 H=130 мм.

r=(0.2 ч 0.3)D_заг r=20 мм

= 35мм

Радиус R для определения местоположения площадки для осадки:

,

где b, b₁ - размеры облойной канавки, мм;

D_n - диаметр поковки, мм;

D_o - диаметр осаженной заготовки, мм.

 Принимаем R=270 мм.

Вычерчиваем на плане низа окончательный ручей. От краев ручья на расстоянии Т=25 проводим грани кубика (правую и заднюю). Из центра окончательного ручья радиусом R=270 мм проводим дугу, определяющую положение площадки для осадки. Вычерчиваем на этой дуге окружность диаметром D_ос и определяем положение передней и левой граней.

Проведя построения, находим размеры кубика, выбираем стандартные значения по ГОСТ 7831-55, находим центр кубика и определяем ∆l=45 и ∆b=45

В зависимости от глубины ручья принимаем высоту верхнего кубика 240 мм и нижнего кубика 200 мм.

Проверка штампа на площадь соударения: F_c=48·48 - р·31.9²/4 = 1505 см²≥[600см²]. Крепление осуществляется с помощью хвостовика, шпонки и клина в соответствии с ГОСТ 6039-82.

6. Технологический и конструкторский расчет завершающих операций

Определим периметр среза для наружного облоя:

мм

мм

где - определяют графически по линии среза, мм

- положительное отклонение допуска на поковку.

Находим усилие для обрезки наружного облоя:

мН.

где - предел прочности, выбираем из [8, стр.205], Н/мм²

Усилие пресса:

мН.

Периметр среза для прошивки внутренней пленки:

мм

Фактическая толщина среза:

мм

где - определяется графически по линии прошивки, мм;

- допуск на износ выступа под наметку в штампе, принимается равным 2 ¸5 мм.

Усилие для среза внутренней пленки:

мН.

Усилие пресса:

мН.

Основными механическими параметрами для выбора пресса являются: усилие жесткость, величина хода, закрытая высота и размеры стола пресса.

Так как прессы изготавливаются в определенном интервале по номинальному усилию, то обычно при выборе пресса расчетное усилие не соответствует точно номинальному усилию. Поэтому пресс берут заведомо большего усилия, чем требуется по расчету. Применение более сильного пресса обеспечивает повышенную жесткость и меньшее пружинение станины, а, следовательно, и большую стойкость штампов. Некоторый избыток усилия против расчетного предохраняет от поломки при случайном попадании более толстой заготовки.

Выбор оборудования осуществляется по суммарному усилию, необходимому для выполнения операции, а также от размеров обрезаемых штампованных поковок.

Суммарное усилие пресса будет равно:

мН.

Выбираем пресс с усилием 4000 кН исходя из габаритов поковки.

Зазор между пуансоном и матрицей при обрезке облоя равен:

мм.

где  - коэффициент, зависящий от материала поковки;

 - толщина облоя в месте среза, мм.

Зазор между пуансоном и матрицей при пробивке перемычек выбираем из [6, стр.489, табл.8] = 0.36 ¸ 0.54 мм.

Пуансон выбираем из [7, стр.45, табл.1] 250 мм, 40 мм.

Матрицу [7, стр.45, табл.1] 360 мм, 320 мм, 60 мм.

Прошивень [7, стр.45, табл.1] 35 мм, 26 мм, 40 мм, 24 мм.

Выталкиватель [7, стр.45, табл.1] 250 мм, 110 мм.

Габаритные размеры плит нижней и верхней:

Плита нижняя 1000-0129/001 ГОСТ 23211-78, материал сталь 35Л по ГОСТ 977-75, = 230´750´730;

Плита верхняя 1000-0123/001 ГОСТ 23209-78, =80´750´560;

Державка 1000-0129/002 ГОСТ 23211-78, материал сталь 40Х по ГОСТ 4343-71, твердость HRC 30…45;

Выталкиватель 1000-0129/003 ГОСТ 23211-78, материал сталь 40Х по ГОСТ 4343-71, твердость HRC 30…45;

Пуансонодержатель 1000-0123/003 ГОСТ 23209-78, материал сталь 45 по ГОСТ 1050-74, твердость HRC 30…35;

Втулка направляющая 1000-0123/051 ГОСТ 23209-78, материал сталь 20 по ГОСТ 1050-74, цементировать на глубину 0.8…1.2 до твердости HRC 58…62;

Прихват 1000-0123/006 ГОСТ 23209-78, материал сталь 45 по ГОСТ 1050-74, твердость HRC 30…45.

Закрытая высота штампового пространства:

мм

где - наибольшее расстояние между столом и ползуном в его нижнем положении, мм

- величина регулирования между столом и ползуном, мм.

Закрытая высота штампа:

мм

где - толщина подкладной плиты пресса.

Величина сдвига поковки при обрезке:

мм

где - толщина обрезаемого слоя.

Высота пуансона:

мм

где - толщина нижней плиты;

- толщина матрицы;

- толщина пуансонодержателя;

- размер поковки от поверхности прилегания ее до линии разъема.

7. Планировка участка штамповки

Производительность штамповочного молота зависит от правильного расположения оборудования в агрегате и механизации процессов штамповки.

Нагревательную печь, как правило, устанавливают с левой стороны, а обрезной пресс - с правой стороны рабочего фронта штамповочного молота. Поковка, отштампованная на мелких и средних молотах, сбрасывается на транспортер со стороны рабочего фронта - от штамповщика.

Рисунок 4 - Схема организации рабочего места: 1 - печь; 2 - стол; 3 - тара заготовок; 4 - конвейер; 5 - тара облоя; 6 - обрезной пресс; 7 - тара поковок; 8 - молот.

Процесс изготовления поковки протекает следующим образом. Нагретую заготовку выдают из индукционной печи на транспортер, который передает ее к фронту штамповочного молота. После операции штамповки поковка сбрасывается со штампа на транспортер, который доставляет ее к обрезному прессу. После обрезки облоя поковка проваливается через обрезную матрицу на специальное устройство, сбрасывающее поковку на транспортер, который доставляет ее в соответствующую тару.

8. Выбор режимов термообработки поковки

Качество поковок и изготовляемых из них изделий в значительной степени зависит от термической обработки, которая состоит из двух стадий - предварительной и окончательной.

Целью предварительной термической обработки является: улучшение обрабатываемости металла для изготовления изделий; подготовка структуры металла для окончательной термической обработки, т.е. получение однородной мелкозернистой структуры; снятие наклепа, снижение уровня внутренних напряжений; противофлокенная обработка; улучшение комплекса механических свойств.

Целью окончательной термической обработки - придание металлу требуемых механических свойств.

Сталь 18ХГТ относится к 3-ей группе (среднелегированная). Эта сталь подвергается изотермическому отжигу, для которой особо важна хорошая обрабатываемость резанием. Температура изотермической выдержки определяется температурной областью распада аустенита на феррито-карбидную структуру. Ниже приведена схема термической обработки стали 18ХГТ.

штамповка поковка металл термообработка

9. Техника безопасности

Оборудование кузнечных цехов с точки зрения травматизма является одним из наиболее опасных.

- линейную, а не шахматную планировку печей и кузнечных машин, что обеспечивает наименьшее тепловое облучение рабочих мест;

- теплоизоляцию стен печей обмазкой наружных поверхностей асбестом в смеси с шамотной глиной, пенобетоном, трепалом и другими материалами;

- теплоизоляцию оконных крышек (дверок) печей или их охлаждение проточной водой, в последнем случае крышки представляют собой пустотелые металлические коробки;

- защитные устройства у отрытых окон и отверстий нагревательных печей для ослабления излучения от раскаленных внутренних стенок.

При выборе штамповочного оборудования необходимо учитывать возможность применения средств механизации и создания автоматических линий, значительно уменьшающих травматизм. В плане цеха следует предусматривать подходы и подъезды к агрегатам.

Оборудование в штамповочных агрегатах располагают исходя из непрерывного производства, при этом должна быть исключена возможность накопления полуфабрикатов и готовой продукции у рабочих мест. Оборудование, при работе которого создается шум, и образуются вредные вещества, например, галтовочные и дробеструйные барабаны и т.п., следует устанавливать изолированно, в отдельном помещении. Проходы в цехе для рабочих и обслуживающего персонала должны быть отдельны от производственных проездов. В новых цехах рекомендуется такие проходы располагать на антресолях.

Список используемой литературы

1.       ГОСТ 7505-89. Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски.

2.      М.Н. Верещагин Практическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплине «Технология ковки и горячей штамповки», ГГТУ 1999.

.        М.Н. Верещагин, С.М. Мовшович. Методические указания по программированному расчету технологических параметров процесса горячей

объемной штамповки поковок типа тел вращения. - ГПИ 1989.

4.       Ковка и объемная штамповка. Справочник в 2-х томах. \под ред. М.В. Сторожева\, т.1 М.: «Машиностроение», 1967.

5.      Ковка и объемная штамповка. Справочник в 2-х томах. \под ред. М.В. Сторожева\, т.2 М.: «Машиностроение», 1967.

.        Семенов Е.И. Ковка и штамповка. Справочник в 4-х томах. - М.: «Машиностроение» 1985, т. 2.

7.       ГОСТ 23209-78 - ГОСТ 23212-78 «Блоки универсальных штампов для обрезки».

8.       Мансуров А.И. «Технология горячей штамповки», М: - Машиностроение, 1971 г., 413 с.