Сначала необходимо выбрать поверхность разъема, т.е. поверхность, по которой соприкасаются между собой верхняя и нижняя половины штампа. Обычно эта поверхность является плоскостью или сочетанием плоскостей. Она необходима для установки исходной заготовки и удаления из штампа готовой поковки. Поверхность разъема устанавливают в плоскости двух наибольших габаритных размеров, при этом полости штампа имеют наименьшую глубину.

При штамповке в открытых штампах плоскость разъема должна обеспечивать контроль сдвига верхней и нижней частей штампа после обрезки облоя. Для этого она должна пересекать вертикальную поверхность поковки (рисунок 1, позиция а). Желательно плоскость разъема располагать так, чтобы естественные уклоны облегчали удаление поковки из штампа (рисунок 1, позиция б) даже без выталкивателей и без существенного упрощения формы детали.

Рисунок 1 – Выбор плоскости разъема штампа

В некоторых случаях положение плоскости разъема определяется макроструктурой металла. Например, при штамповке шестерен плоскость разъема должна быть перпендикулярна к оси детали. В этом случае макроструктура получается одинаковой у всех зубьев шестерни и обеспечивает их высокую прочность. На рисунке 2 показан выбор положения разъема штампа по условиям работы детали. Если деталь работает на срез по линии а – а, то волокна металла должны располагаться перпендикулярно к линии среза (положение II – II). Положение плоскости разъема I – I в данном случае нежелательно.

Рисунок 2 – Схема к выбору плоскости разъема с учетом условий работы детали

При выборе плоскости разъема необходимо учитывать использование поверхностей поковки в качестве баз при механической обработке. Базы должны быть цилиндрическими, без штамповочных уклонов. При этом припуск на механическую обработку должен быть одинаков в направлении обработки.

При штамповке в закрытых штампах плоскость разъема выбирают по торцевой наибольшей поверхности детали.

Припуски на механическую обработку регламентируются ГОСТ 7505 с учетом точности поковки, которая определяется видом оборудования и технологией горячей объемной штамповки (открытая или закрытая) и назначаются в основном на сопрягаемые поверхности.

Допуски учитывают возможные отклонения от номинальных размеров вследствие недоштамповки по высоте, сдвига частей штампов, их износа и т.п.

К кузнечным напускам относятся штамповочные уклоны, внутренние радиусы закруглений, перемычки отверстий. Штамповочные уклоны назначаются сверх припуска, они повышают отход металла при механической обработке и утяжеляют поковку. Для наружных поверхностей, вследствие температурной усадки, уклоны меньше, чем для внутренних поверхностей.

Все пересекающиеся поверхности сопрягаются по радиусам. Это необходимо для лучшего заполнения полости штампа и предохранения его от преждевременного износа и поломок. Радиусы скругления зависят от глубины полости штампа. Внутренние радиусы скругления в 3…4 раза больше, чем наружные. Наружные радиусы обычно составляют 1…6 мм.

При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквозное отверстие в поковке, поэтому наносят только наметку отверстия с перемычкой-пленкой, удаляемой впоследствии в специальных штампах. Толщина перемычки S устанавливается в зависимости от диаметра отверстия D, S = 0.1D , но не должна быть менее 4 мм. Отверстия диаметром менее 30 мм не штампуются.

Основная операция горячей объемной штамповки (ГОШ) может быть выполнена за один или несколько переходов. При каждом переходе формообразование осуществляется специальной рабочей полостью штампа – ручьем (гравюрой). Переходы и ручьи делятся на две группы: заготовительные и штамповочные. Схема технологического процесса получения сложной заготовки в нескольких ручьях представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Стадии получения сложной поковки в нескольких ручьях

1 – черновой ручей; 2 – подкатной ручей; 3 – протяжной ручей; 4 – чистовой ручей; 5 – гибочный ручей

Виды штамповочных ручьев

Заготовительные ручьи предназначены для фасонирования в штампах. Фасонирование – перераспределение металла заготовки с целью придания ей формы, обеспечивающей последующую штамповку с малым отходом металла. К заготовительным ручьям относятся протяжной, подкатной, гибочный и пережимной, а также площадка для осадки.

Протяжной ручей предназначен для увеличения длины отдельных участков заготовки за счет уменьшения площади их поперечного сечения, выполняемого воздействием частых слабых ударов с кантованием заготовки.

Подкатной ручей служит для местного увеличения сечения заготовки (набора металла) за счет уменьшения сечения рядом лежащих участков, то есть для распределения объема металла вдоль оси заготовки в соответствии с распределением его в поковке. Переход осуществляется за несколько ударов с кантованием.

Пережимной ручей предназначен для уменьшения вертикального размера заготовки в местах, требующих уширения. Выполняется за 1…3 удара.

Гибочный ручей применяют только при штамповке поковок, имеющих изогнутую ось. Служит для придания заготовке формы поковки в плоскости разъема. Из гибочного ручья в следующий заготовку передают с поворотом на 90 ⁰.

При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности или близкую к ней, часто применяют осадку исходной заготовки до требуемых размеров по высоте и диаметру. Для этого на плоскости штампа предусматривают площадку для осадки.

Штамповочные ручьи предназначены для получения готовой поковки. К штамповочным ручьям относятся черновой (предварительный) и чистовой (окончательный).

Черновой ручей предназначен для максимального приближения формы заготовки к форме поковки сложной конфигурации. Глубина ручья несколько больше, а поперечные размеры меньше, чем у чистового ручья (чтобы заготовка свободно укладывалась в чистовой ручей). Радиусы скругления и уклоны увеличиваются. В открытых штампах черновой ручей не имеет облойной канавки. Применяется для снижения износа чистового ручья, но может отсутствовать.

Чистовой ручей служит для получения готовой поковки, имеет размеры «горячей поковки», то есть больше, чем у холодной поковки, на величину усадки. В открытых штампах по периметру ручья предусмотрена облойная канавка, для приема избыточного металла. Чистовой ручей расположен в центре штампа, так как в нем возникают наибольшие усилия при штамповке.

Технология горячей объемной штамповки

Технологический процесс ГОШ отличается значительным разнообразием и определяется выбором самого изделия и применяемым оборудованием. Технологический процесс зависит от формы поковки. По форме в плане поковки делятся на две группы: диски и поковки удлиненной формы.

К первой группе относятся круглые или квадратные поковки, имеющие сравнительно небольшую длину: шестерни, диски, фланцы, ступицы, крышки и др. Штамповка таких поковок производится осадкой в торец исходной заготовки с применением только штамповочных переходов.

Ко второй группе относятся поковки удлиненной формы: валы, рычаги, шатуны и др. Штамповка таких поковок производится протяжкой исходной заготовки (плашмя). Перед окончательной штамповкой таких поковок в штамповочных ручьях требуется фасонирование исходной заготовки в заготовительных ручьях штампа, свободной ковкой или на ковочных вальцах.

Схемы штамповки

Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно считать основным для классификации способов штамповки. В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схемы штамповки

Штамповка в открытых штампах (рисунок 2, позиция а) характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла – облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов.

Штамповка в закрытых штампах (рисунок 2, позиция б) характеризуется тем, что полость штампа в процесс деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя – выступ (на прессах), или верхняя – полость, а нижняя – выступ (на молотах). Закрытый штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема (рисунок 2, позиция в).

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах – уменьшение расхода металла из-за отсутствия облоя. Поковки имеют более благоприятную структуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. Металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях, это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

Горячая обработка металлов давлением
Изготовление поковок. Технология изготовления поковок.

Штамповка на ковочных вальцах напоминает продольную прокатку, на двух валках закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи (рис., позиция а).

Нагретую заготовку 1 подают до упора 2, когда секторные штампы 3 расходятся. При повороте валков происходит захват заготовки и обжатие ее по форме полости; одновременно с обжатием заготовка выталкивается в сторону подачи.

На вальцах изготовляют поковки типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т.п., а также осуществляют фасонирование заготовок. Исходное сечение заготовки принимают равным максимальному сечению поковки, так как при вальцовке происходит главным образом протяжка.

Схемы ротационных способов изготовления поковок

а – ковочные вальцы; б – ротационно-ковочной машина; в – стан поперечно-клиновой прокатки; г – раскатный стан

Штамповка на ротационно-ковочных машинах подобна операции протяжки и заключается в местном обжатии заготовки по периметру (рис., позиция б). Заготовку 1 в виде прутка или трубы помещают в отверстие между бойками 5 машины, находящимися в шпинделе 4. Бойки могут свободно скользить в радиально расположенных пазах шпинделя. При вращении шпинделя ролики 3, помещенные в обойме 2, толкают бойки 5, которые наносят удары по заготовке. В исходное положение бойки возвращаются под действием центробежных сил. В машинах этого типа получают поковки, имеющие форму тел вращения. Существуют машины, у которых вместо шпинделя с бойками вращается обойма с роликами; в этом случае для возвратного движения ползунов служат пружины. В таких машинах получают поковки квадратного, прямоугольного и других сечений.

Поперечно-клиновой прокаткой (рис., позиция в) получают заготовки валов и осей с резкими ступенчатыми переходами диаметром от 12 до 120 мм. Деформирование может осуществляться инструментом в виде двух валков, валка и сегмента или двух плоских плит. Плоско-клиновой инструмент наиболее прост и обеспечивает получение валов сложной конфигурации с высокой точностью. Заготовка 2 из круглого прокатанного прутка после нагрева автоматически перемещается в рабочую зону клиньев 1 в их исходном положении. Клиновой инструмент, закрепленный в подвижной салазке станка, совершает прямолинейное движение. Заготовка прокатывается между двумя клиновыми плитами.

Кузнечно-прессовое оборудование
Изготовление поковок. Технология изготовления поковок.

Раскатка кольцевых заготовок на раскатных станах получила особенно большое распространение при производстве колец подшипников. Схема процесса показана на рисунке, позиция г. Заготовка 1 представляет собой кольцо с меньшим диаметром и большей толщиной стенки, чем у поковки. Заготовки получают штамповкой на молотах или горизонтально-ковочных машинах. При подведении к заготовке 1, надетой на валок 2, быстро вращающегося валка 3 заготовка и валок 2 начинают вращаться. При дальнейшем сближении валков 2 и 3 увеличивается наружный диаметр заготовки за счет уменьшения толщины и происходит ее контакт с направляющим роликом 4, обеспечивающим получение правильной кольцевой формы поковки. После касания поковкой контрольного ролика 5 раскатка прекращается.

Раскаткой получают поковки колец с поперечными сечениями различной формы наружным диаметром 70…700 мм и шириной 20…180 мм.

Горячая штамповка
Холодная штамповка

Схема волочения

1 – волока; 2 – заготовка; 3 – заострённый конец заготовки; 4 – захват

В результате волочения заготовка приобретает форму и размеры отверстия волоки, её поперечные размеры уменьшаются, а длина увеличивается. Волочением можно получить проволоку диаметром менее 0,01 мм. Для уменьшения трения обрабатываемые заготовки покрывают густыми смазками.

Волочение труб – завершающая, как правило, операция при производстве холоднодеформированных (тянутых) труб из сталей, цветных металлов и сплавов; отличается большим разнообразием технологических схем:

• безоправочное волочение (осадка);
• волочение на короткой закрепленной оправке;
• волочение на самоустанавливающейся (плавающей) оправке;
• волочение на длинной подвижной оправке;
• волочение на деформирующемся сердечнике;
• профилировочное волочение;
• волочение с раздачей трубной заготовки;
• волочение в режиме гидродинамического трения.

Схемы волочения труб

1 – без оправки; 2 – на короткой закрепленной оправке; 3 – на длинной движущейся оправке

Безоправочное волочение – волочение труб из сталей, цветных металлов и сплавов, при котором внутренняя поверхность заготовки при протягивании не контактирует с технологическим инструментом. Безоправочное волочение обычно осуществляют в две волоки, 1-я из которых служит для центровки трубы, а во 2-й осуществляется основное обжатие трубы по диаметру. Безоправочное волочение применяют чаще для промежуточных проходов с целью уменьшения диаметра протягиваемых труб. В ряде случаев (трубки малого диаметра) его используют и как отделочную операцию. Недостатки безоправочного волочения – низкое качество внутренней поверхности труб и большая разнотолщинность стенки трубы после волочения.

Волочение на короткой закрепленной оправке – один из наиболее распространенных методов волочения труб с середины XIX в. Закрепленная короткая оправка чаще всего цилиндрическая, иногда ей придают цилиндроконическую форму, что улучшает ее центровку в очаге деформации. Закрепленные оправки выполняются полыми для труб большого диаметра и сплошными для тонкостенных труб меньшего диаметра.

Волочение на самоустанавливающейся оправке – волочение труб с обработкой внутренней поверхности заготовки незакрепленной самоустанавливающейся оправкой, удерживающей в очаге деформации уравновешиванием действующих на нее втягивающих и выталкивающих сил.

Волочение на длинной подвижной оправке – волочение труб с протягиванием заготовки через волоку с длинной подвижной недеформируемой оправкой, которую затем извлекают из трубы.

Волочение на деформирующемся сердечнике – волочение труб с протягиванием заготовки через волоку на длинной подвижной оправке, деформируемой с заготовкой.

Горячая штамповка
Холодная штамповка

Профилировочное волочение – волочение труб некруглой (фасонной) формы с использованием двух технологических схем. По 1-й готовую трубу получают из заготовки круглого сечения безоправочным волочением в волоке с каналом фасонного сечения. По 2-й волочат на оправках фасонную заготовку, сечение которой подобно сечению готовой трубы. Волочение фасонных труб из фасонной заготовки позволяет снизить трудоемкость процесса, повысить точность размеров и качество внутренней поверхности труб.

Горячая высадка осуществляется на горизонтально-ковочных машинах. Горячей высадкой изготовляют поковки шестерён, клапанов, рессор, колец, валиков и т.п.

Холодная высадка осуществляется на холодно-высадочных автоматах и прессах. Холодной высадкой изготовляют болты, заклёпки и др.

По сравнению с другими процессами штампования высадка отличается высокой производительностью и точностью поковок (без облоя). Получает распространение высадка с местным контактным нагревом заготовок в штампе на электровысадочной машине, позволяющей за один переход получить утолщения большого объёма.

Особенности штамповки на КГШП
Штамповка на ГКМ. Назначение и область применения.

При безоблойной штамповке на молотах (рис.) для более удобного извлечения поковки из штампа выступающую часть ручья располагают в нижней половине штампа, а глубокую полость — в верхней. Центрирующим замком штампа служит боковая поверхность выступающей части нижнего штампа в сочетании с боковой поверхностью выточки верхней части штампа.

Молотовой штамп для безоблойной штамповки

1 — нижняя часть; 2 — верхняя часть

Способ безоблойной штамповки является экономичным и прогрессивным. Он позволяет получить точную поковку с минимальной последующей обработкой резанием. При безоблойной штамповке окончательный штамповочный ручей представляет собой замкнутую полость и поэтому объем исходной заготовки должен отличаться от объема готовой поковки лишь на величину угара металла. Уменьшение коэффициента расхода металла является основным преимуществом данного техпроцесса. Также при безоблойной штамповке достигается повышение механических свойств поковки, происходящее благодаря отсутствию перерезанных волокон (нет обрезки облоя) и лучшему расположению волокон относительно возникающих при работе деталей рабочих усилий. Отмечается повышение механических свойств поковки из-за наличия наиболее благоприятной для деформирования металла схемы напряженного состояния.

Однако, несмотря на большую эффективность, способ безоблойной штамповки долгое время не мог быть внедрен в широкое промышленное применение. Это объяснялось недостаточным техническим уровнем штамповочного производства, отсутствием специализированного оборудования, отсутствием как эмпирических, так и теоретически обоснованных формул для расчета температурных и силовых режимов безоблойной штамповки по переходам и т.п. Так, например, попытки продолжить процесс штамповки в случае наличия в заготовке избытка металла приводили к поломке инструмента или к выходу из строя отдельных узлов и механизмов штамповочного оборудования. В то же время получение заготовок равных объемов с поковкой считалось наиболее трудным и практически не осуществимым. Не удавалось эффективно решать вопросы, связанные с необходимостью безокислительного нагрева заготовок, с достижением точного центрирования заготовки при установке в штамповом ручье.

Для безоблойной штамповки поковок с глубокими внутренними полостями применяются штампы с выталкивателями.

При безоблойной штамповке создаётся напряжённое состояние, близкое к неравномерному всестороннему сжатию, благодаря чему металл деформируется при относительно невысоких растягивающих напряжениях, что важно для малопластичных материалов, например жаропрочных сплавов.

Основные преимущества метода горячей штамповки заготовок в закрытых разъемных штампах по сравнению со штамповкой в открытых штампах следующие:

• экономия металла на 10—50% за счет исключения облоя и повышения точности формы и размера заготовок;
• уменьшение технологического усилия на 20—40% за счет исключения облоя;
• повышение производительности штамповки на 20—50%;
• уменьшение затрат на нагрев;
• сокращение трудоемкости последующей механической обработки заготовок на 10—40% за счет повышения точности их формы и размеров (что наиболее важно в настоящее время);
• увеличение прочности и надежности изделий, улучшение внешнего вида.

P = K σ D² π / 4, где

D – диаметр поковки;

π – предел прочности при температуре окончания штамповки; К – коэффициент, определяемый в зависимости от вида штамповки на ГКМ (от 1 до 8). Для наборных переходов К=1;

Определив Р, подбирают ГКМ по каталогу. Если высота штамповочного пространства не позволяет разместить в штампе требуемое число ручьев, то выбирают по каталогу ближайшую большую машину, а иногда и следующую машину, т.е. через одну ступень. Высоту штампа можно определить из выражения, приближенно учитывающего размеры переходов, число переходов и толщину стенок между ручьями штампа:

H = ∑D_k + 0.3 ∑(D_k+l_k) + 10(k+1), где

D_k – наибольший диаметр перехода соответственно в каждом ручье;

l_k – длина перехода соответственно в каждом ручье;

k – число переходов (без обрезки и высечки).

Сравнивая полученное значение H с допускаемой максимальной высотой штампа, по технической характеристике ГКМ устанавливают, удовлетворяет ли выбранная машина указанному выше условию.

Для поковок некруглой формы необходимое усилие для штамповки определяют, ориентируясь на приведенный диаметр:

D_п = 1.13 √F_п, где

F_п – площадь проекции поковки в плане.

• возможность штамповки поковок без облоя, что исключает необходимость применения обрезного пресса;
• отсутствие штамповочных уклонов на наружной поверхности поковки, что позволяет повысить коэффициент весовой точности (КВТ) и коэффициент использования металла (КИМ) при штамповке;
• выполнение рабочих инструментов в виде вставок в штампах позволяет повысить стойкость наиболее изнашиваемых частей, а также их быструю замену, что уменьшает стоимость инструмента и всего штмапа в целом;
• возможность выполнять штамповку как из мерных заготовок, так и из прутка, что позволяет уменьшить расход металла.

Недостатки горизонтально-ковочных машин:

• необходимость применения проката повышенной точности;
• ограниченное число форм поковок (цилиндрические);
• относительно низкая стойкость ставок штампа;
• необходимость очистки прутка от окалины;
• относительно высокая стоимость машины (в 1,5 раза дороже КГШП аналогичного усилия).

Штамповку могут выполнять из штучных заготовок или непосредственно от прутка. Разница в том, что при штамповке от прутка потребуется последующая отрубка поковки от прутка. При штамповке из штучных заготовок этого не требуется.

Первые ГКМ были созданы в основном для высадки головок болтов. В настоящее время на горизонтально-ковочных машинах штампуют поковки, требующие не только высадки, но и глубокой или сквозной прошивки, гибки, отрезки поковок от прутка и др.

Главными особенностями ГКМ являются:

• наличие в машине трех бойков;
• наличие в штампе двух плоскостей разъема во взаимноперпендикулярных направлениях;
• перемещение ползуна в горизонтальной плоскости.