§ 94. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ШТАМПОВКИ

Технологический процесс горячей штамповки под молотом включает следующие операции: 1) резку заготовки; 2) нагрев заготовки; 3) штамповку; 4) обрезку заусенцев и 5) правку поковки.

Исходной заготовкой для горячей штамповки могут быть нормальный сортовой прокат и прокат специальный (по особому заказу) как по форме сечения, так и по размерам. Применение специального проката особенно выгодно в крупносерийном и массовом производстве. Прокатанный металл как нормального, так и специального профиля поступает в кузнечный цех в виде болванок длиной 3–9 м (чаще всего 6 м).

Первой операцией в кузнечно-штамповочном цехе будет разделка болванок на заготовки заданной длины. Опыт работы передовых кузнечно-штамповочных цехов показал, что в каждом кузнечном цехе должен быть заготовительный участок или отделение, обеспеченное необходимым оборудованием.

Резка заготовок подразделяется на следующие виды: а) резка ножницами; б) ломка в холодноломах; в) резка на пилах холодной резки и на электропилах (электромеханический способ); г) газовая резка.

Резка на ножницах. Наиболее широко распространена в цехах массового и крупносерийного производства резка заготовок ножницами и ломка в холодноломах.

По конструкциям ножницы делятся на дисковые, рычажные и гильотинные. Чаще всего в кузнечных цехах применяются пресс-ножницы, работающие по принципу кривошипного пресса. Ножницами режутся как холодные, так и горячие заготовки. В настоящее время выпускаются пресс-ножницы, которые режут холодный металл сечением до 300×300 мм. Пресс-ножницы — производительное оборудование, за каждый ход производится отрезка заготовки: от 3 до 32 ходов в минуту.

При резке холодного металла в месте среза возникают большие напряжения и могут образоваться трещины. Поэтому когда режутся заготовки из высокоуглеродистых и легированных сталей, последние перед резкой подогреваются до температуры 350–700° С.

При штамповке в торец срез должен быть, по возможности, ровным и прямым. При резке высоколегированных и высокоуглеродистых сталей металл необходимо подогревать до более высокой температуры (700–800 и даже до 1000° С), а при таком высоком подогреве получить с помощью ножниц прямой срез нельзя. Поэтому в таких случаях нужно применять другой способ резки.

Резка (рубка) заготовок производится также на кривошипных и гидравлических прессах с применением специальных штампов и приспособлений. Холодная рубка заготовки на ковочных или штамповочных молотах не производится, так как эта операция небезопасна.

Ломка на холодноломах. Ломку заготовок можно производить на гидравлических и приводных прессах (кривошипных, эксцентриковых). Процесс ломки холодного металла состоит в том, что заготовку укладывают на две опоры, а сверху, посередине опор, на заготовку нажимают тупым ножом, под давлением которого заготовка ломается.

Перед ломкой болванка (пруток) размечается на заготовки необходимой длины; в местах ломки делается надрез (газом или, реже, пилой холодной резки) на глубину 10–15 мм. Кроме того, в процессе холодной ломки по излому контролируется качество металла, что особенно важно при изготовлении поковок из высококачественных легированных сталей. Минимальная длина мерной заготовки при холодной ломке не может быть меньше 0,8D, где D — диаметр или сторона квадрата болванки. Производить холодную ломку на молотах запрещено.

На фиг. 273 приведён пример установки холоднолома на кривошипном прессе. Холоднолом (фиг. 273) имеет следующее устройство. В башмаке пресса 1, который крепится к столу с помощью ласточкина хвоста, закреплена плита 2, которая укрепляется клином 4 и сухарем 3. Поперёк плиты 2 помещаются два стержня 5 в специальных выемках, которые крепятся к башмаку 1 с помощью хомутов 6 и болтов 7. К верхнему подвижному башмаку 9 крепится тупой нож 12. Предназначенная для ломки болванка 10, предварительно размеченная и надрезанная (место надреза а), кладётся на выемки 11 в стержнях 5 так, чтобы центр ножа 12 совпадал строго по вертикальной линии с местом надреза а заготовки 10. Под давлением ножа 12 заготовка разламывается. Для того чтобы заготовки разломить в приспособлении, требуется небольшой ход пресса после соприкосновения с металлом — всего 15–20 мм.

Резка заготовок на пилах холодной резки и на электропилах. Пилы холодной резки применяются тогда, когда нужно, чтобы у заготовки были ровная торцовая поверхность и точные размеры по длине, а также в том случае, когда необходимо отрезать короткие заготовки от болванки большого сечения. Пилы холодной резки малопроизводительны.

Большой интерес представляют электромеханические пилы для резки металла, особенно для резки заготовок из сталей высоколегированных марок и особо твёрдых сплавов. Производительность электромеханического способа резки по сравнению с резкой обычными пилами увеличивается в 10 и больше раз. Потери металла незначительны (толщина диска 2,5–3,0 мм), качество реза получается чистым.

Принцип работы электропилы основан на том, что тонкий диск (без зубьев) соприкасается с разрезаемым металлом, отчего в месте соприкосновения возникает высокая температура; металл плавится, и диск, вращаясь с большой скоростью, выбрасывает его из реза в виде искр.

На фиг. 274 изображена электромеханическая пила. Электрический ток через трансформатор 1 (фиг. 274, а), скользящий контакт 2 и вал передаётся на диск 3. Диску сообщается вращение до 2200 об/мин. Разрезаемый пруток 11 соединён с обратным проводом трансформатора. Механизмы электропилы монтируются на литой раме 5 (фиг. 274, б), которая подвешивается к балке 10. Рама 5 вместе с диском 3 подаётся вручную за ручку 8 постепенно вперёд на разрезаемую болванку 11. Возвращение рамы в исходное положение облегчается противогрузом 9.

Газовая резка. Способ газовой резки состоит в том, что в струе кислорода сжигается высококалорийное топливо (бензин, керосин, ацетилен, коксовальный газ и т. д.), которое в месте реза повышает температуру металла выше точки его плавления. Резка производится специальными резаками (бензорезами, керосинорезами, газовыми горелками). Газовая резка в кузнечном производстве применяется часто; этим способом режутся заготовки из толстолистового металла или металла фасонного профиля.

Нагрев металла для штамповки. Нагрев металла перед штамповкой преследует ту же цель, что и нагрев металла перед свободной ковкой, т. е. увеличение пластичности металла.

Применяются два способа нагрева металла перед штамповкой: пламенный и электрический. Для пламенного нагрева в последнее время широко используются механизированные высокопроизводительные нагревательные печи: методические и полуметодические с толкателем, карусельные и конвейерные печи.

Методические и полуметодические печи используются для нагрева сравнительно толстых и длинных заготовок квадратного и прямоугольного сечения. Напряжённость активного пода методических печей с двусторонним нагревом достигает 500–600 кг/м²·ч и даже 900–950 кг/м²·ч, тогда как с односторонним нагревом — обычно 300–350 кг/м²·ч.

Для нагрева фасонных заготовок круглого сечения и коротких заготовок применяются карусельные печи. Они занимают на 20–30% меньше производственной площади, чем методические печи, и позволяют нагревать заготовки любой формы. Для нагревания концов прутков, например перед высадкой на горизонтально-ковочной машине, применяются щелевые камерные или конвейерные печи.

Большой вред при штамповке наносит окалина, так как она выводит из строя штампы и заштамповывается в металл. Поэтому перед штамповкой необходимо удалять окалину с поверхности заготовок. Существует много способов удаления окалины: обдувка воздухом или паром, очистка скребками и гидравлический способ. Сущность гидравлического удаления окалины: нагретую заготовку помещают на некоторое время в камеру, и на поверхность заготовки через сопла подают воду высокого давления (120–150 атм), которая и удаляет окалину.

Штамповка. Такая штамповка изделия, когда заготовка на штамп становится вертикально, называется штамповкой с осадкой (в торец). Всегда, когда это позволяет технологический процесс, штамповку выгоднее производить из заготовки, рассчитанной на несколько изделий.

Технологический процесс и способ штамповки в каждом отдельном случае выбираются с учётом условий, в которых деталь будет работать в машине. Рассмотрим пример штамповки тягового крюка.

Тяговый крюк — ответственная деталь. Штамповку тягового крюка надо производить с учётом направления волокон металла; перерезать волокна металла в процессе штамповки нельзя, так как это намного ухудшает механические свойства крюка. На фиг. 275 показан процесс штамповки тягового крюка по старому способу, когда волокна металла перерезались. Последовательность операций при этом процессе: 1) резка заготовки; 2) подкатка головки под молотом свободной ковки (фиг. 275, б); 3) расплющивание головки в лопату (фиг. 275, в); 4) штамповка (фиг. 275, г) с последующей вырезкой зева крюка. При таком способе в самом опасном сечении — в носовой части крюка — волокна металла перерезаются.

На фиг. 276 показан новый технологический процесс штамповки тягового крюка, обеспечивающий благоприятное расположение волокон металла. Отличие нового способа состоит в том, что после подкатки головки (фиг. 276, а) производится её гибка (фиг. 276, б), затем штамповка и обрезка заусенцев (фиг. 276, в). В результате тяговое усилие направлено вдоль волокон (фиг. 276, г).

Объём металла, необходимый для штамповки изделия, подсчитывается по следующей формуле:

V_заг = V_пок + V_заус + V_уг см³,

где V_заг — необходимый объём заготовки в см³; V_пок — объём поковки в см³; V_заус — объём заусенца в см³; V_уг — объём угара металла в см³.

Когда штамповка производится в закрытых штампах, объём металла заусенца не учитывается, так как заготовка штампуется без удаления заусенца. Объём металла, необходимый для захвата головки клещами, прибавляется к подсчитанному объёму заготовки (обычно 50–60 мм).

Объём поковки V_пок подсчитывается по чертежу изделия с прибавлением размеров припусков. Объём заусенца подсчитывается по формуле:

V_заус = p · a · b см³,

где p — периметр изделия, по которому располагается заусенец в см; a — средняя ширина заусенца в см; b — средняя толщина заусенца в см. Размеры заусенцев определяются по таблицам в зависимости от молота и способа штамповки. Объём угара металла равняется 1,5–3% при пламенном нагреве и 0,5–1,0% при электронагреве.

При определении размеров сечения заготовки, когда штамповка производится без осадки, необходимо соблюдать правило: площадь поперечного сечения заготовки должна быть на 10–15% больше максимальной площади поперечного сечения поковки.

Обрезка заусенцев. После штамповки в открытых штампах необходимо удалить заусенцы. Удаляют (обрезают) заусенцы в специальных обрезных штампах на кривошипных или эксцентриковых прессах в горячем и в холодном виде.

У изделий из алюминиевых сплавов, латуни, бронзы, а также из мягкой стали (марок 20, 25) заусенцы обрезаются в холодном состоянии. У изделий из более твёрдых сталей, а также у изделий больших размеров обрезку заусенцев и правку производят в горячем виде, так как всю работу, как правило, выполняют за один нагрев.

Обрезной штамп состоит из матрицы 1 и пуансона 3; матрица крепится к специальной подушке или башмаку 2, который крепится болтами к столу пресса, а пуансон 3 крепится своим хвостом к ползуну пресса. Отштампованное изделие 4 кладут на матрицу, часть изделия проходит через матрицу — оно как бы подвешивается на заусенце. При включении пресса пуансон 3 пойдёт вниз и продавит изделие 4 через матрицу. Изделие проваливается на дно башмака 2, а заусенец отрезается и остаётся на матрице.

Правка. После обрезки заусенца поковка может несколько деформироваться (покоробиться), и для того чтобы выровнять её, применяют операцию правки. Правка производится под молотом или под прессом сразу же после обрезки заусенцев. Правку производят одним лёгким ударом молота.

Примеры технологических процессов штамповки. Фиг. 278 показывает технологический процесс изготовления рычага, причём заготовка для штамповки подготовляется на молоте свободной ковки. Вес заготовки 7,8 кг, поковки — 6,2 кг; выход годного 75%. Материал — сталь марки Ст. 40.

Технологическим процессом предусмотрены следующие операции:

1) приёмка металла по наружному осмотру, обмеру и сертификату;
2) резка заготовки ножницами (фиг. 278, б);
3) ковка на молоте свободной ковки мощностью 500 кг (фиг. 278, в, г);
4) приёмка кованой заготовки; штамповка в чистовом ручье (фиг. 278, д), обрезка заусенца (фиг. 278, ж), гибка в гибочном ручье (фиг. 278, е); эти операции выполняются на штамповочном молоте 6,5 т и эксцентриковом прессе 600 т;
5) зачистка заусенца наждаком;
6) клеймение;
7) травление в травильных ваннах;
8) приёмка детали по наружному осмотру и выборочному обмеру.

Температурный интервал штамповки: на 3-й операции 1150–750°, на 4-й операции: штамповка 1200–900°, обрезка заусенца 800–750°, гибка 750–700°.

На фиг. 279 показан технологический процесс штамповки рукоятки. Вес заготовки 1,31 кг, вес поковки 0,96 кг; выход годного 73%. Материал — сталь марки Ст. 3. Технологией предусматриваются следующие операции:

1) приёмка металла по наружному осмотру, обмеру и сертификату;
2) резка заготовки ножницами (фиг. 279, б);
3) протяжка на молоте 2 т (фиг. 279, в), штамповка на молоте 1 т (фиг. 279, г), обрезка заусенца на прессе 125 т, гибка на штамповочном молоте 1 т (фиг. 279, д);
4) клеймение;
5) гибка на фрикционном прессе с применением гибочного штампа (фиг. 279, е);
6) очистка от окалины в травильных ваннах;
7) зачистка наждачным точилом;
8) приёмка детали по наружному осмотру, выборочным размерам и разметке.

Температурный интервал для переходов 3-й операции 1200–750°, для 5-й — 900–750°.