При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, получая пруток или трубу с профилем, соответствующим сечению отверстия инструмента. Исходный материал для прессования - слитки или отдельные заготовки.

Рисунок 2 - Схемы прессования прутка: прямым (а) и обратным (б) методами: 1 - готовый пруток; 2 - матрица; 3 - заготовка; 4 - пуансон.

Существуют два метода прессования - прямой и обратный. При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении (рисунок 2а). При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение металла из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансона, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей (рисунок 2б).

3. Волочение

где F₁ - меньшая площадь поперечного сечения исходной заготовки, мм²;

F₂ - большая площадь поперечного сечения поковки, мм².

Коэффициент уковки подсчитывают по размерам, характеризующим основную деформацию, например, при осадке - по линейным размерам вдоль осадки или по площадям, перпендикулярным направлению осадки.

При нескольких операциях ковки общий коэффициент уковки равен произведению частных коэффициентов:

К_общ=К₁К₂…. К_n.

Общим коэффициентом уковки определяют полную степень проковки стали. Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства.

Ковка - процесс обработки давлением нагретого металла между верхним бойком и наковальней (нижним бойком). Процесс состоит из чередования в определенной последовательности основных операций (осадка, высадка, вытяжка и др.).

Нагретую заготовку укладывают на нижний боек и верхним бойком последовательно деформируют на отдельных участках. При этом металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента.

Заготовка, полученная ковкой, называется - поковкой и в дальнейшем подвергается механической обработке.

Методом свободной ковки получают все крупные поковки массой до 250т и более. Мелкие и средние поковки обрабатывают свободной ковкой небольшими партиями. Исходным материалом при свободной ковке служат слитки, блюмы, болванки и прутковые катаные заготовки.

Инструмент, применяемый для свободной ковки, показан на рисунке 4. Кроме рабочего инструмента (бойков различной формы), используют также мерительный (кронциркули, угольники) и вспомогательный (клещи, вилки, патроны) инструменты.

Рисунок 4 - Инструменты, применяемые при свободной ковке: а - бойки; б - обжимка; в - наметки, пережимки, раскатки; г - топоры; д - прошивни.

Ковку подразделяют на ручную и машинную. Ручной ковкой получают мелкие поковки при ремонтных работах.

Молотами называют машины ударного действия, в которых энергия привода перед ударом преобразуется в кинетическую энергию линейного движения рабочих масс с закрепленным на них инструментом - бойком, а во время удара преобразуется в полезную работу деформируемого металла заготовки.

При ударе бойка по заготовке часть энергии расходуется на ее деформацию, а остальная поглощается нижним бойком или его основанием (шаботом). Коэффициент полезного действия молота определяется как отношение полезной работы деформации А_Д ко всей энергии удара А:

.

Чем больше масса шабота, тем выше коэффициент полезного действия молота. Практически масса шабота примерно в 15 раз больше массы падающих частей, что обеспечивает = 0,8-0,9.

Для приводов молотов обычно используют пар, сжатый воздух или газ, жидкость под давлением.

Паровоздушные молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом, поступающим от котла или компрессора. Поступая под поршень рабочего цилиндра, энергоноситель поднимает подвижные части молота, а затем, поступая в верхнюю часть цилиндра, разгоняет поршень и связанные с ним части до скорости 6-7 м/с, нанося удар. Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей 1000 - 8000 кг, что позволяет изготавливать поковки средней массы преимущественно из прокатных заготовок.

Пневматические молоты приводятся в действие сжатым воздухом и применяются для ковки мелких заготовок (до 20 кг).

Для изготовления крупных поковок из слитков применяют гидравлические прессы. В отличии от молотов деформация металла в них осуществляется статическим давлением, т.е. постепенно в течение нескольких десятков секунд. Усилие (5 - 1000 кН) вниз создается с помощью жидкости (эмульсии или минерального масла).

Выбор оборудования для ковки проводится по требуемой массе падающих частей молотов или усилию пресса в зависимости от размеров заготовки и операции ковки.

4.1 Особенности процесса свободной ковки

4.1.1 Основные операции ковки

Наиболее характерные операции свободной ковки показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 - Операции свободной ковки: а - осадка; б, в - высадка; г - протяжка; д - разгонка; е - прошивка, ж - вытяжка; з - пробивка; и - гибка; к - закручивание; л - рубка; м - правка; н - кузнечная сварка (соединение в нахлёстку); п - кузнечная сварка (соединение в паз); р - кузнечная сварка (соединение с стык).

Простейшей операцией является осадка (рисунок 5а), в результате которой увеличивается площадь горизонтального поперечного сечения заготовки за счет уменьшения ее высоты. При этой операции требуется, чтобы бойки перекрывали заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, что характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям. Высота исходной заготовки должна быть не больше трех её диаметров, иначе возникает продольный изгиб её. Длину исходной заготовки можно определить по формуле:

,

где Vo - объем отходов, см³;

V_з - объем заготовки, см³;

V_{n -} объем поковки, см³;

F_з - площадь поперечного сечения заготовки, см².

Средний диаметр заготовки после осадки

,

где Н₀ - высота исходной заготовки;

Н - высота конечной заготовки;

D₀ - диаметр исходной заготовки.

Деформирование осаживаемой заготовки не по всей высоте называется высадкой. Высадку можно осуществить при нагреве только части заготовки, например, в середине (рисунок 5б), либо ограничением деформации на части заготовки кольцевым инструментом (рисунок 5в).

Операция протяжки (рисунок 5г) заключается в нанесении последовательных ударов и передвижении заготовки; при этом между бойками во время удара находится только часть заготовки.

Большая деформация заготовки в направлении ее ширины за счет перпендикулярного расположения оси заготовки относительно ширины бойков, иногда с поворотом на 90⁰ между ударами, называется разгонкой (рисунок 5д).

Внедрение инструмента в металл - прошивка (рисунок 5е).

При вытяжке (рисунок 5ж) происходит увеличение длины заготовки в результате уменьшения площади поперечного сечения.

Площадь поперечного сечения заготовки определяется по формуле:

F_з = F_n Ч к,

где F_n - площадь поперечного сечения поковки, мм²;

к - степень укова, равная:

для проката 1,3 - 1,5;

для слитка - 1,5 - 2,0.

К операции вытяжки относятся: расплющивание, вытяжка на оправке и раздача на оправке.

· Расплющивание

Расплющиванием достигается увеличение ширины поперечного сечения заготовки за счет уменьшения ее толщины.

Вытяжка на оправке

Позволяет удлинять полую заготовку путем уменьшения наружного диаметра и толщины стенки.

Раздача на оправке (раскатка)

Позволяет увеличивать наружный и внутренний диаметры полой заготовки в результате уменьшения толщины стенки.

Пробивкой (рисунок 5з) достигается получение отверстия в поковке. При пробивке заготовка после внедрения в нее инструмента на определенную глубину переворачивается на 180є, и инструмент вводится уже с другой стороны до получения сквозного отверстия.

При гибке (рисунок 5и) поковке придается изгиб в заданном направлении. В процессе гибки сечение поковки изменяет свою форму и площадь. Если уменьшение площади сечения нежелательно, в месте изгиба предусматривается утолщение.

При закручивании (рисунок 5к) происходит смещение одной части поковки по отношению к другой на определенный угол относительно продольной оси. Эта операция упрощает ковку сложных поковок, позволяя вести отковку всех частей поковки в одной плоскости.

При рубке (рисунок 5л) происходит отделение части металла от слитка, прокатанной заготовки или поковки. Рубка крупных поковок под прессом может производиться высоким топором в одном направлении. При ковке на плоских бойках рубка ведется с двух или четырех сторон.

Правка (рисунок 5м) применяется для устранения местной или общей кривизны поковки. Операция правки сходна с операцией гибки.

Разработка технологического процесса ковки состоит из следующих этапов:

проектирование поковки;

расчет размеров и массы исходной заготовки;

назначение кузнечных переходов;

выбор оборудования;

определение режимов нагрева и охлаждения;

назначение термообработки для готовой поковки.

4.1.2 Проектирование поковки

Чертеж поковки разрабатывается по чертежу детали. При разработке чертежа поковки надо учитывать некоторые особенности процесса, например, избегать наклонных поверхностей. Размеры поковки по сравнению с размерами готовой детали увеличивают на величину припуска. Для упрощения формы поковки по отдельным поверхностям, получение которых затруднено или невозможно, предусматривают местное увеличение размера, называемое напуском.

На все размеры поковки назначают допуски. Припуски и допуски на поковки из углеродистой и легированной сталей, изготавливаемые ковкой на молотах, регламентированы ГОСТ 7820 - 70, а на прессах - ГОСТ 7062 - 79.

В таблице В.2 (приложение В) приведена выдержка из ГОСТ 7829-70 по припускам и допускам для поковок простой формы цилиндрического, квадратного и прямоугольного сечений.

Для поковок круглого и квадратного сечений с уступами предусмотрены дополнительные припуски (на несоосность) величиной 3-10 мм при разности размеров диаметров (или сечений прямоугольников) до 40 мм и свыше 180 мм. Припуски на общую длину таких поковок берут в 2,5 раза больше, чем указано в таблице В.2.

После составления рабочего чертежа поковки определяют ее вес, размеры и вес исходной заготовки.

При ковке поковок из слитка вес заготовки определяется по следующей формуле:

G_исх = G_пок + G_пр + G_дон + G_уг + G_об,

где G_{исх -} вес исходной заготовки, кг;

G_пок - вес поковки, кг;

G_пр - вес отхода прибыльной (верхней) части слитка, кг;

G_дон - вес отхода донной (нижней) части слитка, кг;

G_{уг -} вес отхода на угар, кг;

G_об - вес отхода на обсечки, кг.

При использовании в качестве исходной заготовки прокатного металла определение веса исходной заготовки упрощается за счет отсутствия отходов со стороны прибыльной и донной частей слитка. В этом случае формула для определения веса будет иметь вид:

G_исх = G_пок + G_уг + G_об,

Методы определения веса поковки и норм технологических отходов следующие. Вес поковки G_пок в общем случае определяется как произведение объема металла поковки на плотность, т.е.

G_пок = V_пок ,

где V_пок - объем металла поковки, см^{3 (}м³);

- плотность углеродистой и легированной (конструкционной) стали, равная 7,85 г/ см^{3 (}кг/м³).

Подсчет объема металла в поковках сложной формы производится путем разбивки их по чертежу поковки на отдельные простые объемы V₁, V₂, V₃,. V_n с последующим их суммированием.

Вес отходов от прибыльной G_пр и донной части слитка G_дон зависит от формы и размеров слитка, от его веса и метода разливки стали, а также и от способа его охлаждения. Обычно принимают G_пр равным 20-25%, а G_дон - 3-5% от веса слитка.

Вес отходов на обсечку G_об зависит от размеров и формы поковки, поэтому объем металла на обрубку концов принимается:

а) при ковке под прессами:

для поковок круглого сечения

V_об = 0,21D^3,

где D - диаметр поковки, см.

для поковок прямоугольного сечения

V_об = 0,28В² Н,

где В - ширина сечения (наибольшая), см.;

Н - высота сечения, см.

б) при ковке под молотами:

для поковок круглого сечения

V_об = 0,23D³;

для поковок прямоугольного сечения

V_об = 0,3В² Н.

Вес отхода на угар G_уг определяется в зависимости от веса и количества нагревов заготовки. Потери на угар принимаются в следующих размерах: 2% за каждый нагрев и 1,5% за каждый подогрев.

4.1.3 Типы поковок

Все поковки можно разделить по конструкции и применяемому при их изготовлении инструменту на следующие типы:

Сплошные гладкие круглого сечения и сплошные с уступами, фланцами и буртами (оси, валы, колонны, цилиндры, штоки и др.).

Сплошные гладкие прямоугольного сечения и сплошные с уступами, фланцами и буртами (бруски, пластины, дышла, колонны, бабы и др.).

Сплошные одноколенчатые и многоколенчатые валы.

Полые гладкие и с уступами, имеющие большой коэффициент отношения диаметра к высоте (бандажи, зубчатые колеса, диски, кольца раскатные, пластины с отверстиями и др.).

Полые гладкие с уступами, имеющие разный коэффициент отношения длины к диаметру (цилиндры, барабаны, валы, муфты и др.).

Поковки криволинейной формы (крюки, скобы, дышла и др.).

Общими для каждого типа являются следующие кузнечные операции:

1 и 2 типы - вытяжка, комбинация вытяжки с торцевой осадкой, надрубание уступов;

3 тип - вытяжка, комбинация вытяжки с осадкой, надрубание, рубка, закручивание и передача (смещение);

4 тип - осадка, комбинация осадки с вытяжкой, рубкой, прошивкой, раскаткой на оправке и в кольцах;

5 тип - вытяжка, комбинация вытяжки с осадкой, прошивкой, раскаткой и вытяжкой на оправке;

6 тип - вытяжка, комбинация вытяжки с гибкой, закручиванием.

4.1.4 Температурные режимы ковки и штамповки

Ковкость металлов определяется их пластичностью и сопротивлением деформированию. Поэтому нагрев слитков и заготовок имеет целью:

1 Придать металлу необходимую пластичность для возможности его деформирования без разрушения.

2 Уменьшить сопротивление деформированию.

Обе задачи решаются путем правильного нагрева металла в печах до требуемых температур и выдержки при этих температурах в течение определенного времени.

Скорость нагрева заготовки зависит не только от ее поперечного сечения и химического состава стали, но и от расположения заготовок в печи. Для определения времени нагрева слитков и заготовок из разных марок стали рекомендуется использовать следующую формулу:

Z = CB,

где Z - продолжительность нагрева в часах;

С - поправочный коэффициент, учитывающий влияние состава стали и другие факторы. Для углеродистых сталей С=0,10 - 0,15; для легированных конструкционных С=0,15-0, 20; для высоколегированных инструментальных С=0,30 - 0,40;

В - диаметр или сторона сечения слитка или заготовки, м.

Рекомендуемые интервалы температур ковки и штамповки углеродистой и легированной стали приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Температурные интервалы ковки и штамповки конструкционных, углеродистых и легированных сталей

Температура обработки всех групп алюминиевых сплавов находится в пределах 500 - 300⁰ С. Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, ВД17, АК4) имеют более высокое сопротивление деформированию, поэтому температура окончания обработки у них должна быть не ниже 375 ⁰С.

Сплавы на основе магния (МА2, МА3, МА5, ВМ65-1) характеризуются различной склонностью к обработке давлением. Сплав МА2 хорошо деформируется в интервале температур 450 - 350 ⁰С, а сплавы МА5 и ВМ65-1 при температуре 400 - 300 ⁰С.

Медные сплавы хорошо деформируются в интервале температур 640 …675⁰ С - 780…850 ⁰ С.

Сопротивление деформированию титана и его сплавов значительно выше, чем стали. Наибольшую пластичность титановые сплавы имеют в интервале 1000 - 850⁰ С.

Нагрев заготовок осуществляют в пламенных и электрических печах.

4.1.5 Режимы термической обработки поковок из стали различных марок

В практике машиностроительных заводов применяют следующие схемы технологических процессов:

1 Нормализация + механическая обработка для поковок из углеродистой и малолегированной стали при твердости НВ 207;

2 Отжиг + механическая обработка для поковок из легированной стали при твердости НВ 207;

3 Нормализация + отпуск высокий + механическая обработка для поковок из легированной стали и для крупных поковок вообще при твердости НВ 207;

4 Закалка + отпуск высокий + механическая обработка для поковок простой конфигурации из среднеуглеродистой конструкционной стали при твердости НВ=156-321;

5 Нормализация + закалка + отпуск высокий + механическая обработка для поковок сложной конфигурации из среднеуглеродистой конструкционной стали при твердости НВ=156-321.

Примечание: выбор и назначение режима термической обработки поковок определяется прежде всего схемой технологического процесса.

4.2 Штамповка

4.2.1 Горячая объемная штамповка

При горячей объемной штамповке формообразование поковок осуществляется в специальных инструментах - штампах, рабочие полости (ручьи) которых допускают течение деформированного металла только в определенном направлении и до определенных пределов, в результате чего образуется принудительное получение заданной формы и размеров поковки. Горячую объемную штамповку широко используют в массовом и крупносерийном производстве.

Горячей объемной штамповкой изготавливают поковки различной формы и размеров из сталей, цветных металлов и сплавов. Общий технологический процесс горячей штамповки складывается из отрезки заготовок, их нагрева, собственно штамповки (в несколько переходов или даже операций), отрезки облоя и зачистки заусенцев, термической обработки, правки, калибровки, отделки поверхности.

Штамповка может быть осуществлена в закрытых и открытых штампах. При штамповке в открытых штампах поковка получается с облоем - некоторым избытком металла в исходной заготовке, вытесненным на заключительной фазе процесса штамповки в облойную канавку, состоящую из узкого зазора - "мостика" и расширенной части - "магазина" (рисунок 6а). Штамповка в закрытых штампах является безоблойной.

Рисунок 6 - Штамповка в открытом (а) и закрытом (б) штампах: 1 - верхняя половина штампа; 2 - нижняя половина штампа; 3 - конфигурация поковки; 4 - магазин; 5 - мостик.

Открытыми называются штампы (рисунок 6 а), у которых вдоль всего внешнего контура штамповочного ручья сделана специальная облойная канавка. Так как облойную канавку делают очень узкой, то течение в облой металла затруднено и возможно только при значительном давлении металла, находящегося в полости штампа. По мере затекания металла в облойную канавку давление нарастает и заставляет металл плотно заполнять все, даже очень небольшие и неудобные для заполнения элементы формы ручья штампа, обеспечивая хорошее формообразование поковки. Для создания облоя массу заготовки при штамповке в открытых штампах несколько увеличивают, отход металла в облой составляет в среднем около 10-12% от массы поковки.

Закрытыми или безоблойными называют штампы, в которых металл деформируется в замкнутом пространстве (рисунок 6 б). В отличие от открытых штампов, имеющих поверхность разъема в виде плоскости, закрытые штампы имеют разъем по сложной поверхности с направляющими, обеспечивающими точное соударение половин штампа в конце штамповки. При безоблойной штамповке расход металла уменьшается на 20%, кроме того, исключаются затраты на обрезку облоя. Но для безоблойной штамповки требуется точный расчет объема исходного материала.

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ.

Поковки, полученные штамповкой, по своим размерам и форме ближе к готовым деталям, чем кованые. Штампованные поковки имеют лучшую шероховатость поверхности. Штамповкой можно изготавливать поковки более сложной формы, чем ковкой. Производительность штамповки значительно выше, чем ковки, и составляет десятки и сотни поковок в час.

Механические свойства штампованных изделий могут быть выше, чем таких же изделий, изготовленных ковкой. Это объясняется тем, что в штампе легче создать оптимальное расположение волокон в металле.

При всей перспективности штамповки этот процесс по сравнению с ковкой имеет и некоторые недостатки.

Штампы - дорогостоящий инструмент и пригоден только для изготовления поковок одного типоразмера. В связи с этим штамповка экономически целесообразна лишь при изготовлении достаточно больших партий одинаковых поковок (массовое и крупносерийное производство).

Усилия для деформирования металла в штампах требуется больше, чем при изготовлении той же поковки ковкой. Поэтому для штамповки необходимо более мощное оборудование (молоты и прессы).

Технологическая схема процесса получения штампованных поковок состоит из следующих операций:

разрезка прутка на мерные заготовки;

нагрев заготовки;

перенос ее в полость штампа;

штамповка;

обрезка заусенец (облоя);

прошивка перемычек в отверстиях;

термическая обработка;

осмотр, ремонт дефектов;

приемка.

4.2.2 Проектирование штампованных поковок

По чертежу детали составляют чертеж поковки. При получении поковки в открытом штампе необходимо правильно выбрать поверхность разъема. Эта плоскость должна быть выбрана так, чтобы поковка свободно вынималась из штампа. С целью лучшего заполнения полости штампа металлом желательно плоскость разъема выбрать так, чтобы полости штампов имели наименьшую глубину.

Чертеж на поковку должен быть выполнен в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД и ГОСТ 3.1126-88:

Графический документ на поковку должен быть разработан на основании чертежа детали и выполнен на карте эскизов.

Графический документ на поковку должен быть выполнен в масштабе изображения чертежа детали.

На графическом документе на поковку допускается наносить контур детали, выполняя его тонкой штрихпунктирной линией с двумя точками, при этом допускается не изображать отдельные элементы детали.

Графический документ на поковку должен содержать все данные, необходимые для ее изготовления, контроля и приемки.

На графическом документе на поковку допускается наносить под размерами поковки размеры детали в круглых скобках.

На графическом документе на поковку допускается помещать таблицу для данных, не указанных на изображениях и не установленных в технических требованиях.

В технических требованиях графического документа на поковку в зависимости от способа ее изготовления должны быть указаны требования, установленные в соответствующих стандартах на поковки.

Расположение плоскости разъема формообразующих поверхностей штампа следует изображать тонкой штрихпунктирной линией, обозначенной на концах знаком х - х.

Пример графического выполнения поковки втулки приведен в приложении Б.

Назначение основных припусков, допусков и допускаемых отклонений осуществляется с учетом исходного индекса, который учитывает массу, марку стали, степень сложности и класс точности поковки. Данные для определения исходного индекса приведены в приложении А.

Штамповочные уклоны служат для облегчения заполнения полости штампа металлом и обеспечения более легкого удаления поковки из штампа. Штамповочные уклоны назначаются сверх припуска, они увеличивают отход металла при механической обработке и утяжеляют поковку. При изготовлении поковок из стали штамповочные уклоны составляют 3-10⁰.

Радиусы закругления в местах пересечения поверхностей поковки необходимы для лучшего заполнения штампа и предохраняют его от преждевременного износа и поломок. Наружные радиусы закругления составляют обычно 1 - 6 мм, внутренние 4 - 20 мм.

4.2.3 Штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ)

Наиболее широко ГКМ применяются в крупносерийном и массовом производстве для штамповки деталей, имеющих преимущественно форму тел вращения, усложненных боковыми отростками, поднутрениями, сквозными отверстиями и т.п. На ГКМ можно штамповать поковки массой от 0,1 до 100 кг.

Основное отличие штампов ГКМ от молотовых и прессовых - это наличие у них двух взаимно перпендикулярных плоскостей разъема:

1 Между пуансоном и матрицами;

2 Между неподвижной и подвижной матрицами.

ГКМ имеют следующие основные преимущества:

1. Высокая производительность, достигающая (при изготовлении мелких и средних поковок) 400-900 поковок в час.

2. Высокое качество получаемых поковок.

3. Экономное расходование металла, так как на ГКМ обычно штампуют без облоя.

4. Высокая точность и чистота поверхности получаемых поковок.

5. Наличие двух взаимно перпендикулярных плоскостей разъема штампов обеспечивает получение таких форм поковок, которые невозможно получить при штамповке на другом штамповочном оборудовании с одной плоскостью разъема, например поковки со сквозным отверстием, с глубокой глухой полостью, со стержнем и прошитым утолщением и др.

Штамп ГКМ состоит из трех частей: неподвижной и подвижной матриц и подвижного пуансона. Основными операциями при штамповке на ГКМ являются высадка (осадка или утолщение частей прутка), прошивка и просечка. Кроме этих операций, ГКМ выполняет также пережим, отрезку, гибку, расплющивание, выдавливание и обрезку облоя.

В зависимости от сложности конфигурации все поковки, изготовляемые на ГКМ, можно разделить на 6 групп (рисунок 7).

Схема процесса штамповки на ГКМ дана на рисунке 8. Штамповка производится обычно методом высадки конца нагретого прутка 4, часть которого зажата между неподвижной 3 и подвижной 5 матрицами, или же из мерной заготовки, удерживаемой клещами с задним упором в корпус матрицы. Высаживаемая часть заготовки длиной не более 2,5-3 диаметров прутка (при свободной осадке в одном ручье) устанавливается по упору 2 и при штамповке заполняет рабочие полости пуансона 1 и матриц 3 и 5.

Если объем штампуемой головки поковки превышает 2,5-3 диаметра прутка, то штамповку производят в нескольких ручьях многоручьевого штампа, постепенно набирая металл, причем полость матрицы или пуансона на первых переходах не должна превышать по диаметру 1,25-1,5 диаметров исходного прутка. В противном случае возможен продольный изгиб заготовки, приводящий к зажимам металла и браку поковок.

ГКМ выпускаются с номинальным усилием от 10³ до 31,510³ кН для штамповки поковок из прутков диаметром от 12,5 до 250 мм.

Усилие Р штамповки на ГКМ находят по формуле

,

где с - коэффициент, зависящий от конфигурации поковки (для приближенных расчетов его принимают равным 5);

F - площадь проекции поковки на плоскость, перпендикулярную к направлению деформирующего усилия;

- предел прочности металла при температуре штамповки.

Рисунок 7 - Классификация поковок, получаемых на ГКМ

Рисунок 8 - Схема процесса штамповки на ГКМ: 1 - пуансон; 2 - упор; 3 - неподвижная матрица; 4 - нагретый пруток; 5 - подвижная матрица. I - установка прутка по упору; II, III - начало и конец штамповки; IV - удаление готовой поковки.

4.2.4 Холодная объемная штамповка

Холодной объемной штамповкой называется процесс штамповки в открытых и закрытых штампах без нагрева металла - это экономический высокопроизводительный процесс изготовления небольших точных деталей из сталей и цветных металлов. При холодной штамповке процесс изготовления деталей расчленяется на операции и переходы, выполняемые в специализированных штампах. Холодная штамповка сопровождается упрочнением, т.е. увеличением прочности металла и уменьшением его пластичности, затрудняющим деформирование в последующих операциях. Для устранения вредного влияния упрочнения применяют межоперационную термообработку (рекристаллизационный отжиг). Холодная штамповка позволяет получать детали высокой точности (до 9-11 квалитета точности), с поверхностью хорошего качества, почти не требующие в процессе изготовления обработки резанием. Отсутствие нагрева при холодной штамповке создаёт благоприятные предпосылки для механизации и автоматизации технологического процесса, что повышает производительность и улучшает условия труда.

Основными операциями холодной объемной штамповки являются: объемная формовка, выдавливание (прессование), калибровка, высадка, чеканка.

Детали с применением этих операций показаны на рисунке 9.

Рисунок 9 - детали, изготавливаемые холодной объемной штамповкой

Объемная формовка - операция, при которой деталь получают обжатием заготовки в открытом или закрытом штампе (рисунок 10 а).

Холодное выдавливание - изготовление сплошных и полых тонкостенных изделий из толстой заготовки выдавливание металла в зазор между пуансоном и матрицей (рисунок 10 б, в, г).

Холодная калибровка применяется для получения точных размеров и гладкой поверхности деталей, изготовленных горячей объемной штамповкой или другими методами.

Холодная высадка применяется для образования местных утолщений заготовки требуемой формы, например, при штамповке головок болтов, винтов.

Объёмная холодная штамповка осуществляется в штампах, аналогичных штампам объёмной горячей штамповки, обеспечивающих последовательное приближение формы заготовки к форме детали. Вследствие упрочнения процесс холодная штамповка обычно расчленяется на большее число операций и переходов, чем при горячей штамповке, а для увеличения пластичности и уменьшения сопротивления деформированию используют межоперационные отжиги.

При холодной объёмной штамповке в открытых штампах применяют промежуточную обрезку заусенца, что позволяет уменьшить усилие деформирования и повысить точность размеров штампуемых изделий. Удельные усилия деформирования при холодной объёмной штамповке достигают 3000 МН/м², что вынуждает использовать этот процесс только для изготовления деталей небольших размеров. Для уменьшения удельных усилий штамповки применяют смазку, облегчающую выдавливание с контактных поверхностей при высоких удельных усилиях (например, минеральные масла с наполнителями в виде графита, талька, дисульфида молибдена и т.п.).

Холодное выдавливание осуществляется по схемам деформирования, сходным с прессованием металлов. Используют прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливания, различающиеся направлением течения металла по сравнению с направлением смещения пуансона относительно матрицы. При комбинированном выдавливании в рабочем инструменте имеется несколько каналов, по которым металл вытекает из полости матрицы, причём могут одновременно иметь место элементы прямого, обратного или бокового выдавливания. Холодным выдавливанием получают сплошные и полые детали довольно сложной конфигурации. Схема всестороннего сжатия, при которой происходит холодное выдавливание, обеспечивает увеличение пластичности металла и позволяет получать без разрушения большое формоизменение заготовки. Упрочнение металла, возникающее при холодном выдавливании, ограничивает допустимое формоизменение и вынуждает в ряде случаев использовать межоперационные отжиги; кроме того, из-за больших удельных усилий деформирования допустимое формоизменение обычно ограничивается и прочностью инструмента. Для уменьшения удельных усилий деформирования подбирают рациональные форму и размеры инструмента, применяют различные смазки. Повышенная прочность инструмента достигается использованием высокопрочных инструментальных сталей, рациональной термообработкой пуансонов и матриц, бандажированием матриц и т.п. Из пластичных металлов и сплавов холодной штамповкой можно получать полые детали с толщиной стенки в десятые и даже сотые доли мм.

Рисунок 10 - Операции холодной объемной штамповки: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - изделие; 4 - открытый штамп.

4.2.5 Штамповка выдавливанием

Сущность метода заключается в том, что металл под действием высокого давления переходит в пластичное состояние и течет в зазор между матрицей и пуансоном.

Процесс холодного выдавливания характеризуется большими степенями деформации и, следовательно, большой производительностью. Изделия, полученные по этому способу, отличаются высокой точностью, хорошим качеством поверхности и высокими механическими свойствами. Поэтому в промышленности стремятся заменить обработку резанием и некоторые операции холодной штамповки - выдавливанием.

Основные требования, которые предъявляются к металлам, подвергающимся выдавливанию, - это высокая пластичность, небольшая способность к упрочнению и невысокие давления, необходимые для деформирования. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют цветные металлы, так как выдавливание происходит при низких давлениях даже при очень высоких степенях деформации.

Существует три способа холодного выдавливания: прямой, обратный и комбинированный (рисунок 11).

При прямом способе металл течет в направлении движения пуансона (рисунок 11 а). Этот способ применяется для изготовления массивных профилей и деталей типа трубок с различной формой поперечного сечения.

При обратном способе выдавливания металл течет в зазор между матрицей и пуансоном навстречу движению пуансона (рисунок 11 б). Величина зазора равна толщине стенки изделия. По этому методу изготавливают полые изделия круглой, прямоугольной, овальной и других сложных форм при одинаковой и различной толщине дна и стенок, с различными уступами, ребрами или без них.

При комбинированном способе металл течет как в направлении движения пуансона, так и против движения (рисунок 11 в). Комбинированный способ применяют для получения изделий сложной формы, с различными уступами и отростками.

Рисунок 11 - Способы холодного выдавливания: а) прямой; б) обратный; в) комбинированный

Степень деформации при выдавливании оценивается относительным изменением площади сечения (обжатием), выражаемым в процентах:

,

где F₀ - площадь сечения до выдавливания, мм²;

F₁ - площадь сечения после выдавливания, мм².

4.2.6 Листовая штамповка