Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт нефти и газа

Кафедра «Технологические машины и оборудование нефтегазового комплекса»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Технология конструкционных материалов»

Разработка технологического процесса изготовления детали «Корпус»

Преподаватель Н.А. Шепета

Студент А.С. Фаустов

НБ20-02Б, 082050549

Красноярск

2021

Содержание

• Задание на курсовой проект
• Введение
• 1. Описание детали
• 2. Описание материала
• 3. Изготовление методом литья в песчаные формы
• 4. Изготовление детали методом объёмной штамповки
• 5. Разработка технологического маршрута обработки резаньем
• 6. Выбор измерительных приборов
• Приложение А
• Приложение Б
• Приложение В
• Приложение Г

Задание на курсовой проект

Заданием данного курсового проекта является разработка технологического процесса производства детали «Корпус» двумя методами: методом литья и методом объёмной штамповки. Курсовой проект оформляется в виде расчетно-пояснительной записки, изложенной на стандартных листах формата А4, и графической части. Студенту выдается чертеж в соответствии с вариантом. Оформление пояснительной записки, схем, эскизов и чертежей выполняется в соответствии с СТО 4.2-07-2014 «Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной деятельности». Текст в расчетно-пояснительной записке пишется на одной стороне листа.

В литературе указываются все источники, включая ГОСТы.

Курсовой проект состоит из 4 частей:

1. Служебное назначение детали и условия ее работы в сборочной единице. Анализ технических требований на изготовление детали.

2. Изготовление детали методом литья.

3. Изготовление детали методом объемной штамповки.

4. Разработка технологического маршрута обработки резаньем.

Расчетно-пояснительная записка объемом 15-30 листов формата А4 содержит:

- титульный лист,

- задание на курсовой проект,

- введение,

- технологический раздел с расчетами и описанием принятых технических решений по каждой части,

- список используемой литературы,

- содержание.

Графическая часть курсового проекта выполняется на листах формата А4-А1 и включает в себя:

- рабочий чертеж детали;

- эскиз литой заготовки с модельно-литейными указаниями;

- эскиз литейной формы в сборе перед заливкой;

- эскиз штампованной заготовки;

- технологический маршрут изготовления детали.

Введение

Технологический процесс -- это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и определению состояния предмета труда. В машиностроительном производстве это последовательное изменение формы, размеров, внешнего вида и свойств предметов производства, их контроль.

Производственный процесс -- это совокупность действий работников и орудий труда, в результате которых сырьё, материалы, полуфабрикаты и комплектующие изделия, поступающие на предприятие, превращаются в готовую продукцию или услугу в заданном количестве и заданного свойства, качестве и ассортименте в определённые сроки.

Таким образом, получаем вывод о том, что технологический процесс -- это обязательная составляющая производственного процесса. Он определяет дальнейшие действия при отладке производственного процесса, а также определяет положение изделия на рынке. Технологический процесс влияет на качество изделия, его стоимость производства, конечную стоимость для потребителя, затраты предприятия на содержания производственной линии, обеспечение сотрудников и уровень их подготовки. Также, очень важно своевременно модернизировать технологические процессы и сопоставлять их с маркетингом производства, примером правильной политики компаний в данной сфере могут являться немецкие автопроизводители группы компании Volkswagen, которые своевременно модернизируют своё производство и на данный момент являются мировыми лидерами в сфере автомобилестроения по доходу. Примером несвоевременной модернизации производства могут стать компании большой детройтской тройки, бывшие лидеры автомобилестроения: Chrysler Group LLC, General Motors и Ford Motor Company. Опъянённые успехом в 60-е годы прошлого века, они не вкладывали активы в модернизацию производства и не создавали ничего кардинально нового, что привело к захвату американского рынка автокомпаниями Европы и Японии, как более экономичных и технологичных, а также более удобными в производстве и дешёвыми для производителя. Эти примеры показывают, как важно правильно модернизировать производство, в том числе и технологические процессы на нём.

Современное производство предъявляет повышенные требования к экономичности, точности, взаимозаменяемости, скорости ремонта и переналадки оборудования, универсальности, жёсткости, надёжности и долговечности. Это в совокупности даёт почву для модернизации или полного изменения технологических процессов на производстве.

Этот курсовой проект является работой будущего инженера и даёт возможность получить требующиеся на профессиональном поприще навыки для повышения экономичности, скорости и технологичности производства.

1. Описание детали

штамповка литье деталь корпус

Деталь «Вал» относится к группе крепёжных элементов сложной формы, предназначенная для передачи крутящего момента. Рабочей частью «Вала» являются части вала с шлицевыми отверстиями. Данная деталь выполняет функции опоры и фиксатора. По ЕСКД относится к классу 71(Детали - тела вращения типа колец, дисков, шкивов, блоков, стержней, втулок, стаканов, колонок, валов, осей, штоков, шпинделей и др.). Полный код детали по ЕСКД 715613.

Деталь ограничена гладкими и ступенчатыми, плоскими, цилиндрическими наружными поверхностями, комбинированными поверхностями. Деталь «Вал» образованна цилиндрическими поверхностями, плоскими поверхностями и двумя отверстиями под шлицы.

По служебному назначение поверхности разделяют на:

- основные;

- присоединительные;

- исполнительные;

- свободные.

Основными поверхностями данной детали являются цилиндрические поверхности Ш35 и 60, расположенные на концах вала, так как, основная поверхность -- это поверхность, определяющая положение детали в сборочном узле.

Присоединительных поверхностей нет, так как, присоединительная поверхность -- это поверхность, присоединяющая всё, кроме того, что присоединяют служебные поверхности.

Исполнительными поверхностями данного вала являются шлицевые отверстия и цилиндрические поверхности на которых они базируются, так как, исполнительная поверхность -- это поверхность, которая выполняет служебные задачи.

Свободными поверхностями являются все остальные поверхности, так как, свободные поверхности -- это поверхности, которые соединяют все остальные поверхности и поверхности не участвующие в работе детали, но являющиеся важной частью, так как придают детали нужную геометрическую форму.

Наружные плоские и цилиндрические отверстия будут исполнять роль баз при обработке отверстий.

Детали подобного типа изготавливаются методами литья и горячей объёмной штамповки с последующей механической обработкой. Валы целиком не регламентируются ГОСТами, но существует ГОСТ на концы валов: ГОСТ 12080-66.

2. Описание материала

По указанным на чертеже данным материалом из которого изготовлен «Вал» является Сталь 40Х. Сталь 40Х -- сталь углеродистая конструкционная легированная хромом, содержащая около 0,4 процента углерода и 1процента хрома.

Химический состав в процентах стали 40Х
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	Fe
0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	До 0,3	До 0,035	До 0,035	0,8-1,1	До 0,3	Около 97

Данный сплав имеет высокую флокеночувствительность и склонен к образованию трещин при отпуске, но это решается жёстким температурным режимом.

Имеет высокие характеристики к износу трением и в промышленности чаще всего используется для изготовления деталей, работающих под постоянной нагрузкой.

К таковым относятся: валы, шестерни, лопатки и диски турбин, крепёжные элементы. Закаливается в масляной среде при температуре 860 °С и отпуск проводится при температуре 550 °С, что позволяет достичь нужной твёрдости.

Поставляется либо в виде цилиндрического проката, либо в виде слитков. В нашем случае эффективней использовать прокат цилиндрической формы.

Механические свойства
дв, кгс/мм2	дт, кгс/мм2*103	д, %	HB
100	80	10	217

3. Изготовление методом литья в песчаные формы

Литьём получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м, со стенками толщиной 0,5 - 500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колёса, станины станков, турбинные лопатки и т.д.)

Для изготовления отливок применяют множество способов литья:

· в песчаные формы;

· по выплавляемым моделям;

· в кокиль;

· под давлением;

· центробежное литьё и т.д.

Область применения того или иного способа литья определяется объёмом производства, требованиями к геометрической точности шероховатости поверхности отливки, экономической целесообразностью и другими факторами.

Классификация литых заготовок.

По условиям эксплуатации независимо от способа изготовления различают отливки:

· группа общего назначения - для деталей, не рассчитываемых на прочность. Конфигурация и размеры их определяются только конструктивными технологическими соображениями;

· группа ответственного назначения составляет отливки для изготовления деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках;

· группа отливок особо ответственного назначения использует для изготовления деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках.

В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверхностей, максимальных габаритных размеров, толщины стенок, число стержней, назначений и особых технических требований отливки делят на шесть групп сложности.

Элементы литейной формы.

Литейная форма - это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Основные требования к литейным формам: прочность, огнеупорность, высокая газопроницаемость, податливость.

Литейные сплавы.

Для изготовления отливок используют специальные литейные сплавы, которые должны обладать высокими литейными, механическими и эксплуатационными свойствами; по возможности состав сплава должен содержать минимальное количество дорогостоящих компонентов; свойства и структура сплава не должны изменяться в процессе эксплуатации готовой детали и т.д.

Литейные свойства сплавов. Наиболее важные технологические литейные свойства - жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность сплава к ликвации, образованию горячих и холодных трещин, поглощению газов образованию газовой и усадочной пористости.

Усадка - свойства литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку.

Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.

Усадочная раковина - дефект в виде скрытой или открытой полости. Усадочные раковины сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними.

Усадочная пористость - дефект, представляющий собой мелкие поры. Вероятность формирования усадочных раковин или усадочной пористости главным образом зависит от температурного интервала кристаллизации сплавов.

Термические напряжения в отливке появляются из-за неравномерности распределения температур по толщине стенок отливки или между отдельными её частями.

Характер термических напряжений различен: в массивных частях отливки имеют места растягивающие напряжения, в более тонких - сжимающие.

Коробление - изменение формы и размеров отливки под влиянием литейных напряжений.

Изготовление отливок в песчаных формах.

Литьё в песчаные формы в настоящее время является универсальным и самым распространённым способом изготовления отливок. Этим способом изготовляют разнообразные по сложности отливки любых масс и размеров из сталей, чугунов и сплавов цветных металлов.

Сущность литья в песчаные формы заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую разъёмную и толстостенную литейную форму, изготовленную из формовочной смеси по многократно используемым модельным комплектам (деревянным или металлическим), с последующим затвердеванием залитого металла, охлаждением отливки в форме, извлечением её из формы с последующей отделкой.

Для изготовления литейных форм используется модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и оборудование.

Модельный комплект - это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комплект включают модели, модельные плиты, стержневые ящики и другие приспособления

Чертёж детали. Исходным документом для разработки чертежа модельно-литейных указаний является чертёж детали на котором указаны разъём модели и формы, положение отливки в форме при заливке, припуски на механическую обработку, формовочные уклоны, число стержней, размеры стержневых знаков, границы стержней и т.п.

Формовочные материалы - это совокупность природных и искусственных материалов, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей.

В качестве исходных материалов используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные глины. Глины обладают связующей способностью и термической устойчивостью, что позволяет получать отливки без пригара.

Стержневая смесь - это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных стержней.

Литниковая система - это система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке.

Изготовление литейных форм. Основные операции изготовления форм (формовки):

· уплотнение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности;

· устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы, образующихся при заливке;

· извлечение моделей отливки и литниковой системы из формы;

· отделка и сборка форм.

Технологический процесс получения отливок.

Охлаждение отливки в литейных формах после заливки продолжается до температуры выбивки.

Выбивка отливки - процесс удаления затвердевших и охлаждённых до определённой температуры отливок из литейной формы, при этом литейная форма разрушается.

Обрубка отливки - процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ.

Очистка отливок - процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок. Её осуществляют в галтовочных барабанах периодического или непрерывного действия, в гидропескоструйных и дробемётных камерах, химической и электрохимической обработкой и другими способами.

Термическую обработку отливок проводят для снижения литейных напряжений и твёрдости, устранения ликвационных зон, улучшения обрабатываемости, повышения механических свойств и др.

Определённый вид термической обработки назначают, учитывая род сплава, из которого изготовлена отливка, конкретные условия её производства, требования, предъявляемые к отливке, и др.

Выбор рационального способа изготовления отливок.

Современные требования, предъявляемые к литым заготовкам деталей машин, характеризуются максимальным приближением отливок по форме и размерам к готовым деталям, экономией металла, применением прогрессивных методов литья.

Исходной информацией для выбора способа изготовления отливки являются чертёж детали и технические требования на неё; материал детали; программа выпуска; параметры, по которым осуществляется оптимизация способа получения литой детали, и т.д.

Изготовление стальных отливок. Для изготовления отливок используют углеродистые и легированные литейные стали (в конце марки буква Л). Они обладают высокими пределом прочности (400 - 600 МПа), относительным удлинением (10 - 24 %), ударной вязкостью, достаточной износостойкостью при ударных нагрузках. Основной элемент, определяющий механические свойства углеродистых литейных сталей - углерод. Легирующие элементы значительно повышают эксплуатационные свойства - жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и т.д., например, марганец повышает износостойкость, хром -- жаростойкость и коррозионную стойкость и т.д.

Литейные стали имеют пониженную жидкотекучесть, высокую усадку (до 2,5%), склонны к образованию трещин. Для их плавки, как правило, используют дуговые и индукционные печи.

Стальные отливки получают массой от нескольких граммов до нескольких десятков тонн с толщиной стенки 0,8 - 300 мм.

Под технологичностью литой детали понимают совокупность свойств её конструкции, позволяющих получать высококачественные отливки с минимальными затратами труда, средств материалов и времени на их изготовление в принятых условиях производства, а также обеспечение технологичности изготовляемых из них деталей механической обработкой (ГОСТ 14. 205-83).

Для создания технологичной конструкции литой детали конструктор должен учесть многие факторы, которые могут быть сведены к трём группам факторам технологичности:

· применяемого сплава;

· способа литья;

· способа механической обработки.

Технологичность способа литья характеризуется точностью размеров, шероховатостью поверхности, припуском на механическую обработку, гарантированными показателями плотности, структуры и механических свойств отливок, ограничением массы, размеров и сложности конфигурации отливки.

Для оценки технологичности созданной конструкции литой детали используют показатели технологичности, главными из которых являются коэффициент использования металла (КИМ), коэффициент необработанной поверхности (КНП), коэффициент габаритности (К) и другие показатели.

КИМ - это отношение массы готовой детали к массе заготовки. Он показывает сравнительное количество металла, которое необходимо удалить при механической обработке.

КНП - это отношение площади детали, не подвергшейся механической обработке, к общей площади её поверхности. Этот показатель характеризует точность изготовления отливки и качества её поверхности.

К - это отношение произведения габаритных размеров (длина, ширина, высота отливки) к массе отливки. Показывает влияние габаритных размеров на технологичность отливки: чем меньше этот показатель, тем технологичнее отливка.

Конструкция литой детали должна обеспечивать высокий уровень механических и служебных характеристик при заданной массе, конфигурации, точности размеров и шероховатости поверхности. При разработке конструкции литой детали конструктор должен учитывать, как литейные свойства сплавов, так и технологию изготовления модельного комплекта, литейной формы и стержней, очистку и обрубку отливок, и их дальнейшую обработку. Кроме того, необходимо стремиться к уменьшению массы отливок и упрощению конфигурации.

Технический контроль качества. Основные задачи технического контроля: выявление причин отклонения качества отливок от заданного и нарушений технологического процесса; разработка мероприятий по повышению качества продукции; установление соответствия режимов и последовательности выполнения технологических операций, предусмотренных технологической документацией; установление соответствия качества материалов, требуемых для производства отливок и т.д.

Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром (визуально) непосредственно после извлечения отливок из формы или после их очистки.

Внутренние дефекты отливок выявляются радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.

С помощью радиографических методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания. Ультразвуковой метод выявляет наличие, размеры и глубину залегания дефекта.

Дефекты отливок и причины их возникновения

· песчаные раковины - открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы, недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин;

· перекос - смещение одной части отливки относительно другой, возникающий в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установки стержня в форму и других причин;

· недолив - некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, недостаточным сечением элементов литниковой системы, неправильной конструкции отливки (например, малая толщина стенки отливки) и др.;

· усадочные раковины - открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шероховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки, неправильной установки прибылей, заливки перегретым металлом;

· газовые раковины - открытые или закрытые пустоты в теле отливки с чистой и гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газопроницаемости формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами и др.;

· трещины горячие и холодные - разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости формы и стержней и др.

Методы исправления дефектов отливки. Незначительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют заделкой замазками или мастиками, пропиткой различными составами, газовой или электрической сваркой.

Заделка дефектов замазками или мастиками - декоративное исправление мелких поверхностных раковин на отливках. Затем место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом.

Модель изготовим из дерева твёрдых пород с покрытием водонепроницаемым покрытием. По общеизвестным данным припуски составят 10мм, радиусы закругления не менее 5мм, литейный уклон 1°. На основании этих данных построим модель будущей заготовки. Для отливки выберем вертикальное её положение и ярусную литниковую систему. Прибыли выбираем бокового типа с повышением давления воздухом, что обеспечит увеличение действия прибыли в 2 раза по отношению к стандартной системе с применением атмосферного давления воздуха. Расположение выберем по количеству температурных центров. Стержневой ящик в данной отливке не используется по причине отсутствия в её составе отверстий. Формовочную смесь будем использовать единого типа, песчано-глинистую, сырую, так как данное сочетание позволит снизить стоимость производства, без серьёзных потерь в качестве. Форму для отливки будем запрессовывать импульсным методом, так как это положительно влияет на плотность формы и имеет возможность механизации и автоматизации на производстве.

Итак, теперь приступим к расчёту массы детали и массы заготовки, но формульные методы расчёта нам не понадобятся, так как мы заранее создали 3-D модели в САПР T-Flex CAD и массу заготовки и детали она рассчитала исходя из заданного материала изделий. Таким образом, масса детали: 7,6кг; масса отливки: 9,28кг.

Для данного изделия вполне вероятны дефекты из-за специфики используемого материала. Трещины в материале после полного цикла термической обработки можно проконтролировать методами дефектоскопии. Для трещин внутри материала эффективнее всего использовать радиационный и акустический методы контроля. Также вероятно образование раковин из-за сложной ступенчатой формы вала, которые можно обнаружить вышеприведёнными дефектоскопическими методами, а также после среза прибыли методом простого взвешивания и сравнения его веса с расчётным весом отливки, при несовпадении и отклонениях больших, чем являются допустимыми нужно будет приступить к более тщательному изучению изделия методами дефектоскопии, также имеет место быть вероятность осыпания формы, но дефекты такого вида обнаруживаются методом внешнего осмотра изделия работником производства.

4. Изготовление детали методом объёмной штамповки

Метод горячей объемной штамповки использует одно из основных физических свойств металлов -- пластичность. Это свойство металлического поликристалла изменять свои размеры при приложении к нему усилия.

Горячая объемная штамповка

Пластичность растет с повышением температуры, поэтому для изготовления сложных объемных деталей заготовки нагревают.

Таким способом изготавливают детали самой разнообразной формы -- от деталей часов до колесных дисков автомобиля.

Процесс горячей объемной штамповки

Метод заключается в том, что при приложении высокого давления металл горячей болванки подвергается серии последовательных деформаций, и, не нарушая своей целостности, затекает в свободное пространство специально подготовленных штампов, повторяя их пространственную форму и приходя к заданным размерам. Выступы и впадины в соответствующих локальных областях штампа ограничивают и направляют движение металла, приближая с каждым проходом конфигурацию и габариты болванки к параметрам конечного изделия. При последнем рабочем проходе они формируют замкнутый единый ручей (полость), совпадающий с конфигурацией готового изделия.

Технологический процесс горячей объемной штамповки

Термин горячая объемная штамповка металла указывает на то, что габариты и геометрия заготовки меняются не в одном, а в двух или трех измерениях.

Горячая штамповка в качестве болванок использует круглый или прямоугольный прокат, а также горячекатаный лист. Горячая объемная штамповка проводится и прямо из прутка, если конфигурация детали не очень сложная и достаточно одного-двух проходов. Впоследствии отдельные детали отрубают от прутка.

По своей форме конечные поковки подразделяют на два основных класса:

Дисковые: фланцы, крышки, ступицы, прочие круглые (прямоугольные) поковки с длиной, малой относительно диаметра. Здесь выбирают базовую технологическую схему осадки в торец исходной болванки.

Удлиненные: рычаги, валы, шатуны и похожие на них по конфигурации детали. Болванка располагается на штампе плашмя, и в ходе нескольких черновых и штамповочных операций ей придают окончательную форму. До завершающего прохода исполняют формовку в ручьях и на вальцах.

По технологическим схемам активно применяются две наиболее употребительных:

· штамповка в закрытых штампах

· штамповка в открытых штампах

Горячая объемная штамповка в закрытых штампах осуществляется в штампе с небольшим зазором между его половинами. Подразумевается, что объемы заготовки и готового изделия совпадают. Эту оснастку снабжают двумя поверхностями разъединения, находящимися под некоторым углом. Схема используется в производстве сравнительно несложных по своей форме деталей и позволяет добиться наибольшей однородности внутреннего строения детали и меньшей шероховатости.

При применении схемы горячей объемной штамповки в открытых штампах нет точного соответствия объемов между заготовкой и конечным изделием, происходит активное перераспределение массы металла между частями поковки. Часть металла выдавливается за пределы штампа в специальную канавку и называется облоем. Схема позволяет штамповать детали практически любой конфигурации, поскольку позволяет проводить большое количество черновых и завершающих проходов с промежуточным кантованием болванки.

Преимущества и недостатки процесса

Горячая объемная штамповка обладает такими достоинствами, как:

· Изготовление поковок весьма сложной формы.

· Снижение потерь материалов.

· Снижение удельной трудоемкости.

· Нет необходимости в высокой квалификации штамповщика.

· Точность соблюдения габаритов и конфигурации.

К минусам метода горячей объемной штамповки относят

· Сложность операций

· Значительная энергоемкость

· Существенная стоимость и трудоемкость проектирования и изготовления оснастки. Штамп приходится делать из высококачественных материалов, и применим он только к данному изделию.

· Необходимость использовать большее усилие, чем при ковке

· Лимит веса готового изделия до 3-4 тонн.

Преимущества и недостатки

В целом горячую объемную штамповку имеет смысл применять при выпуске средних и больших серий, а также, если сложность формы и толщина детали не допускают применение обойтись холодной формовкой.

Нюансы технологии

Технологический процесс горячей объемной штамповки охватывает множество подготовительных и рабочих операций, от поступления материала и до получения конечного изделия.

Схема горячей объемной штамповки

Сам процесс горячей объемной штамповки разделяется на следующие этапы:

· Нарезка проката на болванки,

· Доведение заготовок до рабочей температуры

· Штамповочные операции

· Удаление облоя

· Коррекция формы (при необходимости)

· Термообработка

· Удаление окалины

· Калибровка,

· Прием службой технического контроля.

До подачи на штамп болванки требуется полностью и равномерно прогреть. На современных предприятиях этим процессом управляет автоматика, обеспечивая заданных график повышения температуры, равномерное прогревание всех заготовок по всему их объему и исключение образования оксидных пленок и зон пониженного содержания углерода. В качестве нагревателей применяют:

· электроконтактные установки. Нагрев осуществляется путем включения болванки в электрическую цепь и прохождению по ней сильного тока.

· индукционные системы. Нагрев производится вихревыми токами, возбуждаемыми в приповерхностном слое заготовки;

· газовые печи. Повышение температуры проходит в изолированной от атмосферы камере, заполненной инертным газом, исключающим образование окалины.

Удаление облоя и пробивка пленок применяется в случае открытой схемы горячей объемной штамповки. При этом используют специальные обрезные и пробивные штампы и кривошипные прессы.

Иногда в ходе выемки изделий из штампа, обрубки облоя или термообработки происходит искривление осей изделия либо нарушение поперечных сечений. Тогда применяют операцию коррекции формы, или правку. Заготовки больших размеров, либо изготовленные из высококачественных сталей, подвергаются правке, будучи горячими. Операция проводится в чистовом ручье после удаления облоя. Иногда операцию правки совмещают с обрезкой. Изделия небольшого размера корректируют винтовыми прессами по окончании термообработки и остывания.

Термообработка в горячей объемной штамповке

Термообработку проводят с целью доведения физических свойств изделий до заданных параметров и для облегчения финальной обработки. Операция позволяет также снять остаточные напряжения, уменьшить зернистость, повысить вязкость и пластичность.

Объемная штамповка

Чтобы упростить операции контроля, обеспечить прецизионное позиционирование болванки и снизить износ инструмента на стадии механической обработки, проводят очистку изделий от окалины. Для этого применяются дробеструйные комплексы. В изолированной камере поковки воздухом под большим напором разгоняют стальную дробь и направляют ее на движущиеся, на транспортере изделия. Многочисленные соударения сбивают пленки и хлопья окислов в поверхности, придавая ей матовый внешний вид и одновременно уплотняя приповерхностный слой. Для мелких изделий применяют другую установку -- галтовочный барабан. В нем большое количество деталей пересыпается вместе с добавляемыми к ним металлическими шариками или звездочками. Благодаря многочисленным соударениям деталей с них сбивается окалина.

Иногда в последовательность добавляют еще один переход -- калибровку. Она проводится с целью избежать финишной обработки, оставляя только шлифовку. Посредством плоскостной калибровки достигают точности габаритов по вертикали. Объемная калибровка служит для доведения габаритов в нескольких направлениях, позволяя также и снизить шероховатость. Для калибровки используют специальные штампы с особо точными ручьями, повторяющими конфигурацию поковки.

Штамповочные ручьи и их виды

Для простых конфигураций изделий горячая объемная штамповка выполняется за один проход.

Штамповочные ручьи и их виды

Если же предстоит отштамповать замысловатое изделие с перепадами толщин и высот, выступы и изгибы -- изготовление проводят за несколько проходов, в каждом из которых формовка делается отдельной впадиной на штампе -- ручьем. Их подразделяются на два вида:

Заготовительные

Используются для фасонирования приведения материала болванки к пространственной конфигурации, позволяющей провести операции горячей объемной штамповки с минимальными потерями материала.

Заготовительные ручьи

Виды заготовительных ручьев:

· Протяжной -- растягивает определенные части болванки, сужая их сечение. Применяется серия несильных ударов с переворотом болванки

· Податной -- утолщает сечение болванки, «перегоняя» на это место материал с соседних участков. Применяется также серия несильных ударов с переворотом болванки

· Пережимной -- плющит болванку в месте применения, вызывая увеличение местной ширины. Используется 1-3 сильных удара,

· Гибочный - используется для деталей с выгнутой осью

· Осадочный -- применяется для изделий, близких к круглой форме. Уменьшает высоту болванки, добиваясь нужной высоты и радиуса

Штамповочные

Используются в завершающей формовке, бывают черновыми и чистовыми.

Черновой используется для изделий сложной конфигурации и в целях снижения износа чистового. Предназначен для приближения габаритов и конфигурации болванки к окончательному изделию. Он глубже и уже, чем чистовой ручей, обладает большими радиусами и уклонами. Эти меры применяются для свободного размещения болванки в чистовом ручье.

Штамповочные ручьи

Чистовой ручей используется для формовки конечной продукции, изготавливается с припуском на усадку при охлаждении. Устанавливается в середине штампа, поскольку давление и возникающие напряжения при чистовой штамповке максимальны. Для отвода выдавливаемого металла вокруг ручья расположена облойная канавка.

Схемы штамповки

Конкретная конфигурация горячей объемной штамповки выбирается опытным технологом, принимающим во внимание следующие параметры:

· Размеры детали.

· Материал.

· Форма.

· Доступное оборудование.

· Лимиты трудоемкости и материальных затрат.

На текущий момент применяется две основные схемы горячей объемной штамповки:

· с открытым штампом;

· с закрытым штампом.

Штамповка в закрытом штампе проводится с небольшим зазором между его половинами. Подразумевается, что объемы болванки и конечной детали точно совпадают. Иногда делают две линии примыкания, находящиеся под углом друг к другу. Схема используется для формовки сравнительно несложных по конфигурации поковок и позволяет добиться наибольшей однородности внутреннего строения детали и меньшей шероховатости.

Схема штамповки в закрытых штампах

При применении схемы горячей объемной штамповки в открытых штампах нет соответствия объемов болванки и конечного изделия, происходит активное перераспределение массы металла между ее частями. Некоторая часть металла выдавливается за пределы штампа в приспособленную для этого канавку и называется облоем. Схема позволяет штамповать детали практически любой конфигурации, поскольку позволяет проводить большое количество черновых и завершающих проходов с промежуточными поворотами болванки.

Оборудование, используемое для горячей объемной штамповки

Оборудование для горячей объемной штамповки включает в себя:

· Молоты

· Кривошипные прессы

· Горизонтально-ковочные машины

Технология применения каждого класса установок связана с их конструкцией. Молоты допускают такие схемы, как открытая штамповка и штамповка в закрытых штампах

Горячая объемная штамповка на молотах

Технология использует явление преобразования кинетической энергии падающего массивного молота в энергию ударной деформации заготовки. Молоты поднимаются в исходное состояние сжатым воздухом или паром и имеют массу от 0.5 до 25 тонн. Изменяя высоту подъема молота, можно регулировать силу удара. Ход молота также регулируется, это дает возможность для поворота заготовки во время очередного подъема молота и более точной штамповки. Доступны все подготовительные операции, включая протяжку и подкат.

Точность изготовления деталей на молотах оставляет желать лучшего, что объясняется неминуемым сдвигом частей штампа друг относительно друга в момент удара. Допуски при использовании молотов приходится давать большими, а для обеспечения возможности выемки изделий из пресса делаются большие штамповочные уклоны.

Горячая объемная штамповка на прессах

Горячая штамповка металла проводится и на кривошипных прессах. Главная характеристика оборудования -- это развиваемое им усилие, варьирующееся от 6 до 100МН.

Конструкция кривошипного горячештамповочного пресса имеет жесткий привод и не дает возможности регулировать ход пресса и его усилие. Эти факторы исключают из перечня допустимых операций протяжку и подкат, поскольку для них нужно постепенно увеличиваемое давление.

Отсутствие ударов, постоянный ход штампа и использование направляющих исключает сдвиг, что позволяет добиться точности обработки, принципиально недостижимой на молотах.

Соответственно допустимо задание существенно меньших допусков, штамповочных радиусов и уклонов, что снижает потери материалов и повышает производительность оборудования.

Кроме того, статическая деформация глубже проникает в болванку, чем динамическая, и это делает доступными для обработки материалы с низкой пластичностью.

Отрицательными особенностями кривошипных горячештамповочных прессов являются:

· окалина запрессовывается в поверхность, для борьбы с этим применяют нагрев в инертной атмосфере или глубокую зачистку болванки;

· ввиду продолжительного соприкосновения с пуансоном болванка остывает, снижается ее пластичность и заполняемость.

Штамповка на горизонтально-ковочных машинах

При горячей объемной штамповке этим методом, установка также приводится в действие кривошипным механизмом, главное деформирующее усилие прикладывается по горизонтали. В дополнение к этому применяется еще один ползун, размещенный под прямым углом. Матрица соответственно также составлена из двух частей, одна из которых является подвижной.

Штамповка на горизонтально-ковочных машинах

Доступны такие переходы, как высадка, прошивка и пробивка. Для штамповки стержней, колец, труб с утолщениями и отверстиями в качестве заготовок применяют круглый или квадратный пруток.

Эти специализированные устройства позволяют добиваться существенного повышения эффективности. В качестве минусов можно отметить узкую применимость и дороговизну.

Данная сталь хорошо подходит для изготовления методом объёмной штамповки. Интервал температур находится в интервале 330 -- 1200 °С, так как мы имеем дело с легированной конструкционной сталью. Нагрев будем производить в газовых печах, заполненных инертным газом, что предотвратит образование окалины и позволит изготавливать более приближенные к конечным размерам болванки. Если предположить, что наша деталь готовиться для массового производства, то рентабельнее всего будет использовать ГКМ. Это позволяет снизить количество материала, используемого впустую, уменьшить количество человеко-часов, уходящих на изготовление одной детали, автоматизировать процессы дальнейшей обработки заготовки, уменьшит количество требуемых специалистов, но есть и побочная сторона в виде дорогой оснастки и оборудования и повышенная квалификация сотрудников. Расчётная масса заготовки вычисляется по формуле:

Мп=МдЧ Кр ,

где Мп - расчетная масса поковки, кг;

Мд - масса детали, кг;

Кр - расчетный коэффициент, устанавливается в соответствии с табл.

Характеристика детали	Типовые представители	Кр
Удлиненной формы
С прямой осью	Валы, оси, цапфы, шатуны	1,3-1,6
С изогнутой осью	Рычаги	1,1-1,4
Круглые и многогранные в плане
Круглые	Шестерни, ступицы, фланцы	1,5-1,8
Квадратные, прямоугольные, многогранные	Шестерни, ступицы, гайки	1,3-1,7
С отростками	Крестовины, вилки	1,4-1,6
С большим объемом необрабаты- ваемых поверхностей	Рычаги переключения коро- бок скоростей, балки перед- них осей	1,1-1,3
С отверстиями, поднутрениями, неоформляемыми в поковке	Полые валы, фланцы, блоки шестерен	1,8-2,2

На основании данной таблицы видим, что расчётный коэффициент равен 1,3 -- 1,6:

Мn= 7,6Ч1,4=10,64.

Класс точности поковки Т1; группа стали -- М2.

Теперь вычислим КИМ:

КИМ= 7,6/10,64Ч100=71,43%

Определить же степень сложности поковки уже не так просто, для этого нужно:

Степень сложности определяют путем вычисления отношения массы (объема) Qп поковки к массе (объему) Qф геометрической фигуры, в которую вписывается форма поковки. Геометрическая фигура может быть шаром, параллелепипедом, цилиндром с перпендикулярными к его оси торцами или прямой правильной призмой. В нашем случае деталь является валом, следовательно, вписывать его нужно в цилиндр. Данную операцию выполняем в САПР T-Flex CAD и получаем итоговое значение в 0,77, что говорит о том, что данная поковка относится к группе С4(самой сложной).

Радиусы закруглений, как нами было установлено равны 3 мм, а припуски не менее 4 мм. Исходный индекс:17. Штамповку будем производить в закрытых безоблойных штампах с горизонтальной и торцевой плоскостями разъёма, горизонтальная плоскость разъёма позволяет более эффективно использовать время на предприятии при изготовлении деталей с большим отношением длины ко всем остальным размерам детали. Так как мы используем закрытые формы, то нам остаётся провести лишь термическую обработку. Для нашей стали: закаливается в масляной среде при температуре 860 °С и отпуск проводится при температуре 550 °С, что позволяет достичь нужной твёрдости.

Далее нужно рассчитать требуемый размер сырьевого слитка, а определим мы его через массу слитка, которую можно найти, умножив массу заготовки на коэффициент. Коэффициент равен 1,3.

Мс = kЧМn,

Масса слитка равна 13,832 кг. Под данный параметр подходит сырьё, которое поставляется в прутках диаметром 82 мм.

5. Разработка технологического маршрута обработки резаньем

После выбора баз составляется маршрут обработки детали, исходя из условий рациональной последовательности, учитывающие ее конструктивные и технологические особенности (точность размеров, формы, шероховатости, величины дефектного слоя материала), а также исходя из требований наибольшей производительности и экономичности процесса обработки в заданных производственных условиях в соответствии с заданной программой.

Цель разработки технологического маршрута: дать общий план обработки заготовки, наметить содержание операций технологического процесса и выбрать тип оборудования.

В начале необходимо установить маршрут обработки каждой поверхности. Маршрут обрабатываемой поверхности устанавливают исходя из требований к точности обработки и шероховатости поверхностей, указанных в рабочих чертежах детали и заготовки. Число переходов или операций необходимых для достижения заданного качества обработки каждой поверхности определяют исходя из возможного уточнения, получаемого после каждого перехода операции. При этом выбирают методы обработки на каждой операции.

Проектирование технологических процессов механической обработки в основном заключается в следующем:

а) установлении рациональной последовательности выполнения работ;

б) выборе станков, приспособлений и инструментов;

в) определении изменений в форме, размерах и чистоте обрабатываемых поверхностей;

г) регламентации действий рабочих;

д) установлении режима работы станков.

При проектировании технологического процесса обработки необходимо такое установление рационального порядка обработки, назначение орудий производства и путей их использования, при котором удовлетворение поставленных в чертеже детали технических требований будет выполняться с наименьшими материальными затратами и наибольшей производительностью обработки.

На технологический процесс механической обработки непосредственно влияют следующие факторы;

1) форма и размеры детали;

2) требуемая точность и чистота обрабатываемых поверхностей после обработки и другие технические условия на готовую деталь;

3) материал детали и ее термическая обработка;

4) характер заготовки;

5) программа выпуска деталей;

6) производственные возможности предприятия (наличный парк станков и другие условия, при которых должна осуществляться обработка детали).

Построение плана операций механической обработки деталей должно быть увязано с термическими операциями, осуществляемыми в процессе изготовления детали.

При изготовлении многих деталей машин термическая обработка имеет большое значение. Получение наивысших механических свойств металла является обычно результатом термической обработки. Ее применяют также для устранения внутренних напряжений в деталях и для улучшения обрабатываемости металла.

Основные виды термической обработки стальных деталей следующие: отжиг, нормализация, улучшение (закалка с высоким отпуском), повышение поверхностной твердости (цементация, цианирование, поверхностная закалка).

Термическая обработка не только влияет на маршрут, движения детали. От вида этой обработки и места ее в технологическом процессе зависят количество операций и величины припусков.

Обрабатываемость сталей, т. е. их способность поддаваться резанию, зависит от их свойств, в особенности от твердости и вязкости.

Улучшают обрабатываемость обычно перед механической обработкой путем нормализации или закалки с высоким отпуском (термоулучшение). Часто стальные детали (особенно шестерни) подвергают термической обработке специально для обеспечения требуемой чистоты обработки. Особенно большое значение это имеет для деталей, изготовляемых из вязких, пластичных сталей.

При обработке металла резанием на поверхности обрабатываемой детали образуется наклеп и в металле возникают местные внутренние напряжения. При термической обработке эти напряжения перераспределяются, что является одной из причин деформации детали после термических операций и влечет за собой необходимость увеличения расчетных припусков на механическую обработку после закалки, чтобы обеспечить исправление механической обработкой геометрической формы детали.

Операции длительной термической обработки (отжиг, нормализация, термоулучшение и др.), для выполнения которых требуется оборудование больших габаритов, осуществляют в термических цехах. Поэтому отжиг, нормализацию и термоулучшение целесообразно производить до поступления заготовок в механический цех.

Предел твердости материала, при котором возможна обработка лезвийными инструментами HRC40 (НВ390). Цементированные и закаленные поверхности приобретают твердость около HRC60. Поэтому обработку таких поверхностей производят только абразивными материалами (обычно шлифованием).

Для каждого метода механической обработки существуют определенные пределы точности обработки. При этом различают экономическую и достижимую точность обработки.

Экономическая точность механической обработки-- точность, которая достигается при минимальной себестоимости обработки. При этом имеются в виду нормальные производственные условия, исправный станок, применение требуемых приспособлений и инструментов; квалификация рабочего, соответствующая характеру работы.

Достижимая точность -- это та максимальная точность, которая может быть достигнута при обработке детали рабочим высокой квалификации, работающим на одном и том же станке при неограниченной затрате времени. Вполне естественно, что достижимая точность обработки выше экономической точности обработки. Достижимая точность в большинстве случаев неоправданна из-за больших затрат на обработку, поэтому в большинстве случаев придерживаются экономической точности.

Следует иметь в виду, что затраты (себестоимость) на механическую обработку весьма сильно зависят от точности обработки, т. е. повышение точности деталей ведет к увеличению себестоимости обработки. В таблице 2.8 приведены данные об экономической точности для основных методов механической обработки.

Шероховатость поверхности и экономическая точность при различных методах обработки резанием

Примечание. В скобках указана достижимая точность обработки.

Операционную карту на изготовление детали удобно представить в виде таблицы.

Операционная карта механической обработки предназначена для описания технологических операций с указанием последовательности выполнения переходов, данных о средствах технологического оснащения и т.п.

Установки в операции нумеруют прописными буквами русского алфавита (А, Б, В и т.д.). Переходы следует нумеровать арабскими числами натурального ряда (1, 2, 3 и т.д.). Запись содержания перехода формируется следующим образом:

- ключевое слово - глагол в повелительном наклонении (установить, закрепить, точить, сверлить, фрезеровать, расточить, подрезать, отрезать и т.д.);

- название предметов производства, обрабатываемых поверхностей, конструктивных элементов (деталь, заготовка, поверхность, торец, фаска, конус, лыска, паз, резьба, отверстие, канавка и т.д.);

- условное обозначение размеров и конструктивных особенностей;

- в содержание перехода можно вводить дополнительную информацию (количество обрабатываемых поверхностей, внутренняя, наружная, сквозное, глухое, предварительно, окончательно и т.д.).

При указании данных по технологической оснастке следует руководствоваться следующими правилами:

- информацию по технологической оснастке, применяемой в операции, записывают для каждого перехода в следующей строгой последовательности: ПР - приспособление, ВИ - вспомогательный инструмент, РИ - режущий инструмент, СЛ - слесарный и слесарно-монтажный инструмент, СП - специальный инструмент, СИ - средства измерения.

- после указания вида технологической оснастки записывается ГОСТ и (или) код и наименование технологической оснастки по соответствующим классификаторам, стандартам на кодирование (обозначение) и наименование технологической оснастки. Разделять информацию по каждому средству технологической оснастки следует символом « ; »;

- при последовательном применении оснастки одних и тех же кода и наименования во всех переходах одной операции полную информацию о применяемой оснастке следует указывать только для перехода, где она впервые применялась, в следующих переходах в соответствующей графе следует писать «то же». При использовании одной и той же оснастки в одной операции в переходах не идущих один за другим, в последующих переходах следует давать ссылку на номер перехода, где эта оснастка была впервые применена, например, «см. переход 2».

...