Горячая объемная штамповка

Введение

Горячая объемная штамповка является прогрессивным видом металлообработки, позволяющим значительно сократить расход металла при производстве деталей машин и повысить их качество.

На отечественных заводах все более широкое распространение получают прогрессивные технологические процессы штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах. К таким технологическим процессам относятся изготовление точноштампованных поковок в открытых штампах, штамповка в закрытых штампах, штамповка выдавливанием с цельными или разъемными матрицами, комбинированная штамповка с применением универсального и специализированного оборудования, а также совершенствование конструкций штампов и методов их крепления. Вместо цельноблочных штампов применияются составные, в которых быстроизнашивающиеся части (встави) изготавливают из специальных марок стали, а блокиз обычной углеродистой стали.

Развитие прогрессивных технологических процессов направлено на снижение расхода металла и получения высококачественных поковок, по своей форме и размерам максимально приближающихся к готовой детали с минимальными припусками или вообще не требующих последующей механической обработки; на увеличение производительности оборудования, сокращение трудовых затрат на изготовление поковок и снижение себестоимоти деталей, а также на улучшение условий труда в горячештамповочных цехах.

Процесс создания любой детали или машины состоит из двух неразрывно связанных этапов: проектирования и изготовления. При этом требования, предъявляемые к детали (машине) конструктором и технологом, часто оказываются взаимо противоречивыми. Напрмер. Стремление получить более точную и качественную деталь и машину неизбежно влечет за собой усложнение и удорожание технологии изготовления. И, наоборот, необоснованное упрощение технологии изготовлении, как правило, приводит к нарушению требований, которым должна отвечать машина и ее детали. Поэтому для создания высококачественной и эффективной машины необходимо согласование всех конструкторских и технгологических решений, их строгое технико-экономическое обоснование.

Автоматизацию и механизацию кузнечно-штамповочного производства проводят с целью повышения качества и производительности при выпуске заготовок. Сферой развития механизации и автоматизации в кузнечно-штамповочном производстве являются не только объекты тяжелой и однообразной работы, но и работы по созданию и применению принципиально новых систем программного управления оборудованием и технологическими процессами. Автоматизацию также распространяют на вспомогательные операции, зачастую требующие значительно больших затрат времени, чем сами операции штамповки.

Исследовательская часть Одной из задач технического прогресса в современном машиностроении является получение высококачественных и точны горячештампованных заготовок, форма и размеры которых приближаются к готовым деталям. Решение указанной проблемы неразрывно связано с обеспечением высокой стойкости рабочего инструмента. Необходимость повышения работоспособности штамповой оснастки диктуется следующими основными причинами:

При изнашивании штампа возрастает фактический припуск на обработку резанием заготовок, что повышает расход металла, тредоемкость и энергоемкость изготовления детали и расход режущего инструмента;

При низкой стойкости оснастки расходуется значительное количество инструментальной стали, возрастают расходы на обслуживание штампов, а необходимость в их частой смене снижает производительность труда;

Низкая стойкость штампов затрудняет или делает неоправданной механизацию процессов горячей штамповки.

Существует несколько способов повышения стойкости штамповой оснастки: применение более совершенных штамповых сталей, использование термической, химико-термической и термомеханической обработки, наплавка твердыми сплавами и т. д. влияние этих способов заключается в изменении физических свойств, главным образом прочности и теплостойкости поверхностного слоя штампа, контактирующего с горячим металлом заготовки. Применение указанных способов обычно сопряжено с увеличением стоимости штамповой оснастки (использовании материалов, имеющих высокую стоимость, повышение трудоемкости изготовления штампов, создания оборудования для упрочняющей обработки инструмента). Несмотря на это, необходимый технико-экономический эффект обеспечивается не всегда (это особенно характерно для горячей штамповки в тяжелонагруженном инструменте, приконтактные слои которого нагреваются до высокой температуры и могут отпускаться на значительную глубину). Кроме того, внедрение подобных способов повышения стойкости инструмента при штампвоке труднодеформируемых материалов во многом ограничено необходимостью частного возобновления (зачистки) гравюры, что уменьшает и даже ликвидирует упрочненный поверхностный слой штампа.

Другим резервом повышения стойкости тяжелонагруженных штампов при горячей штамповке является изменение условий работы инструмента и прежде всего снижение теплового воздействия на него. Последнее может быть достигнуто, в частности, выбором правильного режима предварительного нагрева и охлаждения штампов, а также применением эффективных смазочных материалов, способствующих снижению коэффициента трения, удельных усилий при деформировании и уменьшению теплопередачи от заготовки к штампу.

Смазочные материалы, применяемые в горячей штамповке Характеризую условия работы смазочных материалов для штампов, следует отметить некоторые особенности процесса горячей штамповки. Обработка большей части марок стали и сплавов происходит в интервале температур 850−1250°. Значение усилий при горячей штамповки зависят от химического состава сплавов и в отличие от скоростей обжима возрастают к концу рабочего хода оборудования до 1000−1500МПа.

Продолжительность контакта нагретого металла со штампом принимают состоящей из пассивной (с момента поапдания нагретой заготовки в ручей до момента начала ее деформирования) и активной частей (от начала и до конца деформирования), неодинаковых в зависимости от организации технологического процесса и быстроходности вспомогательногои основного оборудования. Наиболее ответственной для работы смазачного материала является активная часть времени контакта, которая в зависимости от быстроходности оборудования и величины обжима колеблется от сотых долей секунды до нескольких секунд при штамповке заготовок и десятков секунд при выдавливании профилей.

Условия работы смазочных материалов будут еще болееразнообразными, если принять во внимание различие физико-механических свойств обрабатываемых металлов и материалов инструмента. Число используемых в промышленности труднодеформируемых, жаропрочных и тугоплавких металлов и сплавов исчисляется сотнями, а марок стали, применяемых для инструмента, — десятками наименований. Именно этим можно объяснить нецелесообразность поиска универсальных и сложность осздания эффективных смазочных материалов, обеспечивающих высокую стойкость тяжелонагруженного инструмента, экономию энергозатрат на обработку давлением сплавов сложного состава при высоком качестве поверхности деформируемого изделия.

Применяют жидкие, порошкообразные и твердые смазочные материалы. В зависимости от конкретных условий процесса они должны образовывать сплошную разделительную пленку между поверхностями заготовки и инструмента и обеспечивать:

1. Снижение коэффициента трения;

2. Уменьшение энергосиловых показателей процесса (деформирующего усилия, затрачиваемой энергии и напряжений в штампе);

3. Теплоизоляцию штампа при одновременном снижении остывания деформируемого металла;

4. Уменьшения температуры штампа;

5. Снижение износа штампа;

6. Уменьшение слипаемости и свариваемости металлов заготовки и штампа, а также образования наростов на поверхности штампа;

7. Снижение усилия при извлечении заготовки изштампа;

8. Удобство и простоту смазывания штампа и удаления остатков смазочного материала с заготовки;

9. Негорючесть;

10. Высокую кроющую способнотсь;

11. Предотвращение окисления, газонасыщения, обезуглероживания или химического взаимодействия с материалом заготовки штампа;

12. Недефицитность и невысокую стоимость.

В перспективе смазочные материалы, применяемые для горячей штамповки, могут обеспечить дополнительные преимущества вследствие пластификации поверхностных слоев деформируемого металла или снижения напряжений трения введением в них присадок, обладающих сверхпластичностью при температурах горячей штамповки.

Защитно-смазочные покрытия Защита металлов от соприкосновения с газами на всех этапах техпроцесса является одной из проблем горячей штамповки, которая тем важнее, чем сложнее сплавы и ответственнее их назначение.

Защитно смазочные покрытия имеют свои преимущества:

1. Могут быть применены для любого вида обработки металлов и сплавов давлением без дополнительных капитальных затрат на создание и переоборудование печного хозяйства;

2. Могут использоваться для нагрева заготовок различных размеров и любой конфигурации;

3. Полученная пленка позволяет защитищать металл не только при нагреве, но и во время его транспортирования, деформирования и последующего охлаждения;

4. Антифрикционные и теплоизоляционные свойства покрытия повышают срок службы инструмента (бойков, штампов) и увеличивают время охлаждения обрабатываемого металла. Последнее может привести к сокращению числа нагревов обрабатываемого металла при ковке и приближает условия штамповки к изотермическим.

Определение оптимального состава покрытий-не простая задача. Необходимо учитывать усложнение технологий штамповки заготовок в условиях использования покрытий. Тем не менее дополнительные затраты средств и материалов окупаются в самые короткие сроки, причем достигается непривзойденный до настоящего времени технико-экономический эффект с точки зрения экономии металла — вследствие уменьшения окалины. Повышения стойкости штампов в результате понижения вредных сил трения и теплоизоляции металла, обеспечивающей устранение самоотпуска штампового материала, отсутсвие остаточных деформаций и снижения нагрузки; повышения качесва поверхности заготовок вследствие уменьшения глубины обезуглероженного слоя (в 10−15 раз). Кроме того, в несколько раз уменьшаются величина припусков на обработку резанием и соответствующие ему затраты. Составы покрытий подразделяют на защитные, смаочные и защитно-смазочные.

Смазочно-охлаждающие жидкости.

Смазочно-охлаждающие жидкости являются обязательным элементом большинства технологических процессов обработки материалов резанием и давлением. Точение фрезерование, сверление, шлифование и другие процессы обработки резанием сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, неметаллических конструкционных материалов, штамповка и прокатка металлов характеризуются большими статическими и динамическими нагрузка, высокими температурами, воздействием обрабатываемого материала на режущий инструмент, штамповочное и прокатное оборудование.

В этих условия основное назначение СОЖ — уменьшить температуру, силовые параметры обработки и износ режущего инструмента, штампов и валков, обеспечить удовлетворительное качество обработанной поверхности. Помимо этого СОЖ должны отвечать гигиеническим, экологическим и другим требованиям, обладать комплексом антикоррозионных, моющих, антимикробных и других эксплуатационных свойств.

Применение СОЖ при обработке металлов резанием и давлением позволяет увеличить производительность оборудования, повысить точность обработанных поверхностей и снизить их шероховатость, уменьшить брак, улучшить условия труда и в ряде случаев сократить число технологических операций.

Основные требования к эксплуатационным свойствам СОЖ в зависимости от типа и условий их применения следующие:

* технологические свойства (стойкость режущего инструмента, производительность процесса обработки, качество обработанной поверхности детали и др.) должны соответствовать требованиям технологического процесса обработки металлов;

* экономическая эффективность применения, в том числе взамен одной или нескольких ранее применявшихся СОЖ (с учетом технологической эффективности, стоимости, срока службы, разницы в затратах на транспорт, хранение, приготовление, эксплуатацию, регенерацию и утилизацию);

* соответствие современным гигиеническим требованиям;

* физико-химические характеристики должны быть в пределах норм, указанных в технических условиях на продукт.

Кроме того, к качеству СОЖ предъявляют дополнительные (сопутствующие) требования, а именно:

* отсутствие коррозирующего действия на оборудование и обрабатываемый материал;

* защитное (антикоррозионное) действие на оборудование и обрабатываемый материал;

* отсутствие разрушающего действия на лакокрасочные покрытия оборудования, на резиновые уплотнения, пластмассовые направляющие, устройства автоматики и другие элементы металлообрабатывающего оборудования;

* отсутствие обильного пенообразования, дыма, тумана, аэрозоли при эксплуатации;

* удовлетворительная фильтруемость;

* отсутствие отложений, пленок, затрудняющих перемещение движущихся частей металлообрабатывающих станков;

* стабильность при хранении и транспортировании, в том числе при низких температурах;

* удовлетворительные моющие свойства;

* удовлетворительная микробиологическая стойкость и длительный срок службы водных эмульсий и растворов СОЖ;

* стабильность эксплуатационных свойств СОЖ в процессе длительного применения — устойчивость к истощению;

* легкость приготовления рабочих эмульсий и растворов;

* удовлетворительная разлагаемость отработанной СОЖ при обезвреживании и утилизации, экологическая безвредность отходов.

Все представленные СОЖ удовлетворяют вышеперечисленным требования При нанесении распылением водно-графитового материала на подогретый штамп вода быстро испаряется, а на поверхности гравюры остается плотный и равномерный слой мелкодисперсного графита, который является хорошим смазочным материалом. Эффективность графитового материала в значительной степени зависит от способа помола и формы частиц графита. Известны две разновидности графитовых частиц: относительно плоские и близкие к сферическим. Плоски частицы способствуют большему снижению коэффициента трения между металлом и инструментом; сферические предпочтительнее при необхдимости создания надежной разделительной пленки.

Крупночешуйчатый графит, в котором могут быть включения размером 15−20 мкм, облегчает течение металла; мелкодисперсный улучшает поверхность штампованной заготовки. Компромиссным решением должен быть выбор оптимального размера частиц с учетом конкретногых условий деформирования: требования к шероховатости поверхности заготовки; коэффициент трения между металлом и инструментом; интенсивности перемещения металла относительно поверхности гравюры; степени деформации и др. в большинстве случаев для приготовления водно-графитового материала применяют коллоидный графит с размерами частиц, не превышающими 5 мкм.

Важным свойством водно-графитового материала является способность смачивать горячую поверхность штампа. Наилучшего покрытия достигают при смазывании методом распыления.

Для нанесения СОЖ в нашем случае используются механизированные установки, предназначенные для использования на определенном виде оборудования при штамповки больших партий заготовок

3.Технологическая и конструкционная часть

3.1 Разработка чертежа поковки Чертеж холодной поковки разрабатываем в соответствии с ГОСТ 7505–88 в зависимости от выбранной технологии, массы, сложности и материала поковки.

Деталь «Косозубая шестерня»

Штамповочное оборудование — КГШП.

Нагрев заготовок — индукционный.

Исходные данные по детали Материал — сталь 18ХГТ (по ГОСТ 4543): 0,17−0,23% С; 0,17−0,37% Si; 0,50−0,80% Mn; 1,0−1,3% Cr; 0−0,3% Ni; 0,03−0,09% Ti.

Масса детали — 1,2 кг.

Исходные данные для расчета Масса поковки (расчетная) — 1,92 кг:

кг, где =1,6 расчетный коэффициент.

Класс точности — Т3

Группа стали — М2

Средняя массовая доля углерода в стали 18ХГТ: 0,18% С.

Степень сложности — С1

Размеры описывающей поковку фигуры (цилиндр), мм:

диаметр — 124,95 (); высота — 24,15 (),

где 1,05 — коэффициент.

Масса описывающей фигуры (расчетная) — 2,27 кг.

.

Конфигурация плоскости разъема штампа П (плоская) Исходный индекс — 9.

Припуски и кузнечные напуски Основные припуски на размеры, мм

1,5 — диаметр 119 мм и чистота поверхности 5;

1,4 — диаметр 60 мм и чистота поверхности 5;

1,3 — толщина 23 и чистота поверхности 5.

Дополнительные припуски, учитывающие:

смещение по поверхности разъема штампа — 0,2 мм отклонение от плоскостности — 0,6 мм;

отклонение от концентричности пробитого отверстия — 0,8 мм.

Штамповочный уклон:

на наружной поверхности — не более 5? принимаем 5?;

на внутренней поверхности — не более 7? принимаем 7?.

Размеры поковки и их допускаемые отклонения Размеры поковки, мм диаметр 119+()=122,6 принимаем 123 мм;

диаметр 60-()· 2=55,2 принимаем 55 мм;

толщина 23+(1,3+0,6)· 2=26,8 принимаем 27 мм.

Радиус закругления наружных углов принимаем равным 3 мм.

Допускаемые отклонения размеров, мм:

диаметр; ;

толщина .

Неуказанные допуски радиусов закруглений 1,0 мм Допускаемое отклонение от плоскостности 0,6 мм.

Допускаемое смещение по поверхности разъема штампа 0,5 мм.

Допустимая величина высоты заусенца 4,0 мм.

Радиус закругления внутренних углов — 6 мм.

Отклонение от концентричности пробитого отверстия — 0,8 мм.

Толщина перемычки:

.

3.2 Определение группы поковки Данная поковка относится ко второй группе — поковки, круглые в плане или близкие к этой форме; первой подгруппе — поковки круглые в плане (типа колец, втулок, шестерен, поршней, круглых фланцев и т. д.). Применяется осадочная площадка или заготовительно-подготовительный ручей. Штамповка в открытых и закрытых штампах. В данном случае штамповку производим в закрытом штампе в три перехода.

3.3 Выбор заготовительных и штамповочных ручьев При штамповке поковок данной подгруппы применяют осадку, предварительную штамповку с оформлением зубьев, окончательную штамповку с зубьями. Зубья предварительного ручья могут располагаться в верхнем штампе, что обеспечивает их повышенную стойкость, но снижает производительность, и в нижнем.

3.4 Определение размеров исходной заготовки Вычислим объем поковки (рис. 3.2) [1]:

.

Определим объем заготовки с учетом угара

где =0,7% - потери металла на угар.

.

Расчетный диаметр заготовки

где m? 2,2 — коэффициент [1], откуда Подберем по сортаменту заготовку размерами, ближайшими к полученным расчетам:

допускаемые отклонения по диаметру мм, теоретический вес 1 м в 17,32 кг.

Длина заготовки

.

По полученной длине заготовки подбираем длину прутка равную 5 м.

3.5 Определение температуры разрезки прутка на заготовки В процессе отрезки на ножницах возможно образование торцовых трещин. Поэтому перед разрезкой металл подогревают. Данную марку стали подогревают до температуры 550? С.

3.6 Расчет и выбор оборудования для подогрева прутков перед разрезкой Исходные данные

— пруток o 50;

— длина заготовок 5000 мм;

— материал — Сталь 18ХГТ;

— температура нагрева — 550 °C;

— требуемая производительность (на разрезке) — 300 шт. в час;

— энергоноситель — природный газ;

— производство — массовое;

— температура печи — 800 °C .

Расчет продолжительности нагрева заготовок Заготовки o 50 относятся к «тонким».

Рассчитываем время нагрева прутка до температуры 550°С:

где Ф — коэффициент формы, равный для заготовок круглого сечения — 2;

Толщина нагреваемой заготовки при двустороннем нагреве :

;

Средняя теплоемкость металла :

Определяем коэффициент теплоотдачи в начале и в конце периода:

где Сп =? •Со — приведенный коэффициент излучения (для расчетов принимаем степень черноты пространства рабочей камеры печи? = 0,75 при 800 °C, коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Со = 4,96 ккал/(м2•ч•К4)) ;

Тп — температура печи, К ;

Тм — температура нагреваемого металла.

Средний коэффициент теплоотдачи за интервал от 0 до 550 °C :

Продолжительность нагрева до температуры 500 °C :

или 0,395•60 = 23,7 мин.

Принимаем, что расстояние между прутками в печи с шагающими балками будет равно половине диаметра заготовки d. Тогда время Z нужно умножить на коэффициент 1,32, то есть Z = 23,7•1,32 = 31,29 мин.? 0,52 ч.

Расчет производительности и размеров пода печи Определяем производительность печи исходя из длины прутка 5000 мм:

— количество заготовок в одном прутке (принимаем n=49 шт);

— производительность печи (принимаем N=6 прутков в час).

Предварительно выбираем печь с шагающими балками.

Рассчитываем необходимую площадь пода печи.

Производительность печи N = 6 шт./ч (прутков в час).

Определим G — необходимую производительность печи, кг/ч.

Масса прутка g = V•? = So0,05 • 5 • 7850 = 3,14 • 0,0252 • 5 • 7850 = 77,02 кг;

G = N • g = 6 • 77,02 = 462,12 кг/час = 0,462 т/ч.

Определяем необходимую площадь пода печи.

Находим площадь, занятую металлом :

F = n • f.

Для этого определяем количество заготовок по поду печи :

n = N • ?(z) = 6 • 0,52 = 3,12 шт.

Далее определяем площадь f, занимаемую прутком с четом того, что расстояние между прутками равно диаметру прутка :

f = 0,05 • 5 • 2 = 0,5 м².

Отсюда Fмет = 3,12 • 0,5 = 1,56 м².

Площадь пода вычисляем:

По производительности G = 462,12 кг/час и необходимой площади пода Fпода= 2,22 м², выбираем печь с шагающими балками НЮО — 75.8.7/8.

Характеристики печи

3.7 Расчет силы разрезки прутка на заготовки, выбор оборудования, его характеристика Определим силу отрезки прутка на заготовки:

где F=0,196 м2 — площадь сечения разрезаемого металла;

i=0,8 — коэффициент [1];

— временное сопротивление разрыву при температуре 500 °C.

Производим разрезку прутка на заготовки в холодном состоянии, так как это позволяет марка стали.

Откуда:

.

Разрезку прутков на заготовки будем производить в штампе для точной отрезки с дифференцированным зажимом. В качестве оборудования для разрезки применяем кривошипный пресс КД 2130 В с номинальной силой 1000 кН.

Таблица 1.1

Основные параметры кривошипного пресса КД 2130В

3.8Определение температурного интервала штамповки Для данной марки стали имеем [1]:

— температура начала штамповки максимальная — 1200? C;

— температура конца штамповки — 800? C;

— рекомендуемый интервал температур штамповки — 1200−900 ?C;

— принятый интервал температур штамповки — 1200−900 ?C.

3.9 Расчет и выбор нагревательного устройства В качестве оборудования для нагрева заготовок перед штамповкой выбираем индукционный нагреватель, так как при данном виде нагрева сокращаются потери металла на угар, а так же улучшается культура производства и повышается возможность автоматизации.

Исходные данные:

— габаритные размеры заготовки — DЗ = 50 мм, lЗ = 101 мм;

— материал — Сталь 18ХГТ;

— масса заготовки — g = 1,55 кг;

— производительность штамповочного агрегата — z = 300 шт/час;

— температура нагрева поверхности заготовки — t = 1250 °C.

Расчет и выбор оборудования Преобразователь частоты.

Определяем ориентировочное значение мощности [2,4]:

где W — ориентировочное значение удельного расхода электроэнергии, затрачиваемой для нагрева 1 кг металла в 1 час (для одночастотного нагревателя 0,5 кВт • ч / кг); G — необходимая производительность, кг/ч (G = g•z = 1,55•300 = 465 кг/ч).

Проводим уточненные расчеты:

— мощность, выделяемая в нагреваемой заготовке по:

где с — удельная теплоемкость нагреваемого металла, Дж/кг•°С, равная при температуре 1260 °C около 714 Дж/кг •°С.

Тогда

.

С учетом КПД, учитывающего тепловые и электрические потери,? ? 0,6:

.

— мощность, выделяемую в нагреваемой заготовке: ,

где l0 — удельное количество теплоты (теплосодержание и равное для стали при температуре 1260 °C примерно 0,86 • 10−6 Дж/кг ;

Тогда

.

С учетом?: .

Принимаем расчетную мощность .

Принимаем частоту преобразователя — 2400 Гц. Определяем отношение диаметра заготовки DЗ к глубине проникновения тока ?(?):

.

Для обеспечения необходимой мощности выбираем машинный преобразователь частоты ОПЧ-500−2,4 (мощностью — 500 кВт и номинальной выходной частотой — 2400 Гц).

Индукционный нагреватель.

Принимаем индуктор методического действия, так как производится нагрев всей заготовки.

Длина индуктора [2, 4]:

где lИ — длина индуктора (катушки); lЗ — длина нагреваемой заготовки; ?l — величина, учитывающая влияние краевого эффекта (охлаждение концов заготовки), принимаем равной 2 диаметрам заготовки; n — число заготовок одновременно находящихся в индукторе.

Число заготовок n определяем из соотношения

где — время нагрева сечения заготовки; - интервал времени, сек, через который нагретые заготовки подаются к штамповочному агрегату, определяем из соотношения:

Отсюда

Тогда Выбираем индукционный нагреватель КИН10−500/1П, который имеет следующие характеристики:

— мощность — 500 кВт;

— частота — 2400 Гц;

— длина индуктора — 1500 мм;

— оптимальные размеры заготовки: DЗ = 30…70 мм, lЗ = 50…260 мм;

— производительность: z = 1200 кг/час.

3.10 Расчет и выбор оборудования для горячей объемной штамповки Техническая характеристика пресса Определим силу штамповки [2]:

где = 0,0118 м2 — площадь поковки в плане;

мрадиус закругления поковки около пуансона;

м — естественный радиус закругления угла дна матрицы;

=0,123 м — диаметр поковки в плане;

— высота поковки;

— скоростной коэффициент;

=97 МПапредел текучести металла при .

Откуда По полученному значению номинальной силы пресса предварительно выберем КГШП номинальной силой 10 000 кН (ГОСТ 6809), с параметрами, приведенными в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Основные параметры кривошипного пресса К 8540

3.11 Расчет силы и выбор обрезного пресса

Cилу пробивки перемычки определим по следующей формуле:

где Sп — периметр среза перемычки, мм;

tп — действительная толщина среза перемычки, мм

?В — предел прочности при температуре обрезки, ?В=97 МПа.

Действительная толщина среза перемычки

tп= zп+n,

где размер zп определяется графически по линии среза облоя, zп=hп+2· r;

п — возможная недоштамповка, которую принимают равной положительному допуску на размер поковки по высоте, принимаем п=1,4 мм.

tп= 5,2+2· 3+1,4=12,6 мм.

Периметр среза перемычки определим по формуле

Sп=2· ?·Rп, где Rп — радиус отверстия поковки, то есть Rп=48/2=24 мм.

Sп=2· 3,14·24=150,72 мм.

Определяем силу пробивки перемычки По полученным значениям выберем обрезной кривошипный пресс номинальной силой 1000 кН, с параметрами, приведенными в табл. 1.19.

Таблица 1.

Основные параметры кривошипного пресса

3.12 Определение вида термообработки поковки Качество поковок и изготовляемых из них изделий зависит от термической обработки, которая состоит из двух стадий — предварительной и окончательной.

Целями предварительной термической обработки являются: улучшение обрабатываемости металла дл изготовления изделий; подготовка структуры металла для окончательной термообработки, то есть получение однородной мелкозернистой структуры; снятие наклепа, снижение уровня внутренних напряжений; улучшение комплекса механических свойств.

Цель окончательной термической обработки — придание металлу требуемых механических свойств.

Термическая обработка мелких поковок преследует две цели: улучшение обрабатываемости заготовок резанием и штамповкой и создание требуемых, в соответствии с чертежом, свойств деталей. С этой целью используют нормализацию, отжиг, изотермический отжиг и улучшение.

Нормализации подвергаются поковки из углеродистых сталей, из которых изготавливаются вилки, крюки, фланцы, кронштейны и др. [2]

Отжигу подвергаются поковки, для которых особо важна хорошая обрабатываемость резанием, к ним относятся кованые заготовки зубчатых колес коробок передач, редукторов ведущих мостов, муфт зубчатых колес, изготовляемые из легированных сталей. Поэтому поковку детали «Косозубая шестерня», изготовленную из стали 18ХГТ будем подвергать изотермическому отжигу.

3.13 Выбор вида очистки от окалины и оборудования Для очистки поковок от окалины выбираем дробеструйную очистку. В качестве оборудования для очистки от окалины выбираем дробеструйный аппарат 334 М.

Таблица 1.4

Основные параметры дробеструйного аппарата 334 М

Таблица 1.5

Размеры дроби при дробеструйной очистке

Таблица 1.6

Количество выбрасываемой соплом дроби при давлении 6 ат

3.14 Расчет и конструирование оснастки для разрезки прутка на заготовки В качестве инструмента для разрезки прутка на заготовки используем штамп с дифференцированным зажимом для резки прутка на заготовки круглого профиля, с зажимом пропорциональным силе отрезки. Применение данного вида штампа позволяет получить более ровные торцы заготовки, а также большую точность по длине заготовок по длине, что необходимо при штамповке в закрытых штампах.

Принцип работы данного штампа (рис. 2.1) следующий. Пруток (1) по оси вставляется в ручьи вставок (2). При нажатии ползуном пресса на верхнюю плиту (3), клинья скосами давят на ползушки (5), которые своими двухсторонними ножевыми пазами сжимают вставки и одновременно перемещают каждый из комплектов этих вставок в разные стороны от оси. Если пруток не будет заправлен во вставки, то перемещению ничто, кроме сил трения, препятствовать не будет. При вставленном прутке сила зажима вставок будет зависеть от сопротивления прутка срезу. При возврате ползуна вверх, пружины (4) возвращают верхнюю плиту в верхнее положение, ползушки под собственным весом сползают до упоров (6), ножевые вставки возвращаются на общую ось.

Определим силу прижима [3]:

где — кпд механизма зажима, ;

— сила разрезки прутка на заготовки.

Скорость сдвига, при этой скорости поверхность скола получается плоской (без волны), утяжка незначительна, вмятины практически отсутствуют.

Величину зазора z между режущими кромками ножей в точках наибольшего удаления [3]:

где — относительная глубина внедрения ножа к моменту скола; - наклон прутка.

Откуда:

Приведем эскизы основных деталей данного штампа:

— нож для разрезки прутка на заготовки (рис. 2.2) изготавливаем из стали Х12М. После термообработки он должен обладать твердостью HB 444−514.

— прижим (рис. 2.3), необходимый для повышения точности заготовки и повышения качества среза также изготавливаем из стали Х12М с твердостью HB 444−514.

3.15 Расчет и конструирование ручьев При штамповке данной детали применяем заготовительный ручей (осадка) и окончательный (штамповка). По чертежу горячей поковки сконструируем ручьи:

— заготовительный ручей

— предварительный ручей:

— окончательный ручей:

Окончательный ручей изготавливаем по чертежу горячей поковки. Шероховатость рабочих поверхностей вставок, остальных .

3.16 Определение минимально допустимых толщин стенок ручьев и габаритов вставок в плане Минимальное расстояние от ручья до края вставки определяем по номограмме.

По максимальным размерам поковки выбираем призматические вставки со следующими габаритами:

Материал рабочих вставок сталь 5ХНМ по ГОСТ 5950–88.

3.17 Выбор высоты блока и расчет закрытой высоты вставок в выбранном блоке По номинальной силе пресса и габаритам вставок выбираем блок со следующими параметрами:

— размеры блока по нормали МН 4808−63:

— закрытая высота блока:

где — номинальная закрытая высота штампового пространства пресса;

— величина регулировки клиновой подушки.

Расчет закрытой высоты вставок:

мм.

3.18 Выбор конструкции и размеров выталкивателя В зависимости от формы поковки и вероятности ее застревания, толкатели устанавливают для выталкивания поковки из верхней или нижней вставки или из обеих вставок одновременно. Выталкивание поковки можно производить действием выталкивателя на облой, на перемычку под прошивку и, наконец, на различные места самой поковки.

Толкатели, действующие непосредственно на поковку, необходимо располагать так, чтобы место их воздействия на поковку было возможно ближе к участкам, где наиболее вероятно застреванию поковки в ручье. Не следует располагать толкатели против тех участков поковки, которые являются базовыми поверхностями при дальнейшей механической обработке.

По номинальной силе пресса определяем необходимый ход толкателя, равный 18 мм.

Выталкивающие механизмы универсальных блоков бывают:

— с одной точкой толкания;

— с траверсой, позволяющей производить выталкивание поковок из любого ручья штампа;

— с траверсой и поворотными рычагами, дающими возможность осуществлять выталкивание воздействием на любой элемент поковки;

— рычажно-кулачковые.

В данном случае мы используем верхний выталкивающий механизм с одной точкой толкания от выталкивающей системы пресса. Возврат выталкивателя в данном случае происходит благодаря силе сжатия пружин. Нижний толкатель приводим в движение пневмоприводом. Возврат нижнего толкателя в исходное положение происходит благодаря силе тяжести.

3.19 Определение размеров вставок. Уточнение размеров блока и оборудования выбранного по расчетной силе Таблица 2.1

Материал деталей вставок КГШП

По номинальной силе пресса и размерам вставок окончательно выбираем КГШП К 85 402 номинальной силой 16 000кН с параметрами, приведенными в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Основные параметры кривошипного пресса К 8542

Вставки КГШП содержат следующие детали:

3.20 Расчет и выбор конструкции штампа для пробивки перемычек Режущий контур пуансона изготавливаем по контуру пробиваемого отверстия. Вертикальные размеры полости в матрице изготавливаем по номинальным размерам поковки; горизонтальные — с зазорами, причем по центрирующим контурам зазор? на сторону принимаем равным половине верхнего отклонения от соответствующего размера ?=0,25 мм. Определим зазор между пуансоном и матрицей на сторону. Применяем направляющие колонки. Так же применяем съемник с верхним расположением на четырех пружинах.

Размеры штампа (рис. 2.12):

— высота провального окна в матрице

— закрытая высота штампа

;

— высоту пуансона для пробивки перемычек определим конструктивно По номинальной силе пресса и габаритам штампа окончательно выбираем кривошипный пресс КД 2130 В номинальной силой 1000 кН, параметры которого приведены в табл. 1.2.

Данный штамп состоит из следующих деталей:

1) Съемник (рис. 2.13).

2) Пуансон для пробивки перемычек (рис. 2.14).

3) Матрица (рис. 2.15).

Материалы деталей, входящих в состав штампа для пробивки перемычек, и их свойства, указаны в табл. 2.3.

Таблица 3.2.

Материал деталей штампа для пробивки перемычек

3.21 Расчет деталей штампов

Расчет опорной поверхности головки пуансона на смятие [7]:

где — сила штамповки; - площадь опорной поверхности головки пуансона.

Расчет пуансона на сжатии в наименьшем сечении [7]:

где — сила штамповки; - площадь наименьшего поперечного сечения пуансона.

Расчет болтов и винтов штампа для пробивки перемычек.

Выполним проверку винтов наименьшего сечения, используемых для крепления деталей штампа на разрыв:

где — растягивающая нагрузка; - диаметр резьбы; - допускаемое напряжение на разрыв.

4.Технологический процесс и штамповая оснастка для изготовления детали «Сошка»

4.1 Технологическая часть материал детали сталь 18ХГТ ГОСТ 4543–81. Рабочие размеры рычага показаны на рисунке 1.

Таблица 1.1 — Механические свойства материала.

Таблица 1.2 — Химический состав материала.

4.2 Разработка чертежа холодной поковки В результате анализа исходных данных устанавливаем массу поковки, точность изготовления и степень сложности детали: «сошка». Штамповочное оборудование — КГШП.

1. Исходные данные по детали:

Материал — сталь 45 (по ГОСТ 1050–60): 0,42−0,50% С; 0,17−0,37% Si; 0,5−0,8% Мп; 0,25%.

Масса детали — 0,7 кг.

2. Исходные данные для расчета.

2.1. Ориентировочную величину расчетной массы поковки Gп определяем по формуле:

Gn = Kq *Gq

где Kq — расчетный коэффициент, устанавливаемый в соответствии с приложением 3 табл.20 к ГОСТ 7505–89, Gq — масса детали в кг.

Gn =0,7*1,4 = 0,98 кг.

2.2. Для данной детали по ГОСТ 7505–89 табл.19 устанавливаем класс точности Т4.

2.3. Группу стали, определяем по табл.1 ГОСТ 7505–89-М2.

Средняя массовая доля углерода в стали Ст45- 0,45% С.

2.4. Степень сложности поковки определяем по соотношению масс.

Размеры описывающей поковку фигуры (параллелепипед)

Gп/Gф= 0,78/1,631 = 0,52.

Степень сложности — С2, установлено по приложению 2

ГОСТ 7505–89.

2.5. Конфигурация поверхности разъема штампа П (плоская).

2.6. На основании полученных данных определяем исходный индекс поковки по табл.2 ГОСТ 7505–89.

Исходный индекс7.

3. Припуски.

3.1. Основные припуски на размеры, мм.

1,1 — диаметр 19 мм и чистота поверхности 1,25 мкм;

1,1 — диаметр 30 мм и чистота поверхности 1,25 мкм;

0,9 — толщина 33 мм и чистота поверхности 40 мкм;

0,9 — толщина 26 мм и чистота поверхности 40 мкм;

3.2. Дополнительные припус ки, учитывающие смещение на поверхности разъема штампа — 0,4 мм;

отклонение от плоскостности — 0,5 мм;

3.3. Штамповочные уклоны.

На наружной поверхности — не более 5°. Принимаем 5°.

На внутренней поверхности — не более 5. Принимаем 5° .

4. Размеры поковки и их допускаемые отклонения.

4.1. Размеры поковки, мм:

диаметр 33+(0,9+0,4)*2 = 35,6 мм. Принимаем 36 мм;

диаметр 26+(0,9+0,4)*2 = 28,6 мм. Принимаем 29 мм;

толщина 19+(1,1+0,3+0,4)*2 = 22,6 мм. Принимаем 23 мм;

толщина 30+(1,1+0,4+0,3)*2 = 33,6 мм. Принимаем 34 мм;

Радиус закругления наружных углов принимаем 1,6 мм.

Допускаемые отклонения размеров, мм:

толщина

толщина

ширина

ширина

длина

диаметр

диаметр

4.4. Неуказанные предельные отклонения размеров по п. 5.5.

4.5. Неуказанные допуски радиусов закругления — по п. 5.23. — 2 мм;

4.6. Допускаемая величина остаточного облоя — по п. 5.8. — 0,7 мм.

4.7. Допускаемое отклонение от плоскости — по п. 5.16. —0,6 мм.

4.8. Допускаемое отклонение от концентричности пробитого отверстия относительно внешнего контура поковки — 0,8 мм.

4.9. Допускаемое смещение по поверхности разъема штампа — 0,8 мм.

4.10. Допускаемая величина высоты заусенца по 5.10 — 0,80 мм.

4.3 Определение группы поковки Данная поковка относится к первой группе — поковки, штампуемые перпендикулярно оси заготовки: удлиненной формы и приводимые к этой форме при большом отношении длины поковки к ее средней ширине в плане; первой подгруппе — поковки удлиненные в плане с прямой линией разъема прямой удлиненной главной осью при отношении длины к средней ширине поковки в плане Lпок/вср > 2,5. Для данных поковок применяются заготовительные операции для распределения металла исходной заготовки в соответствии с площадями поперечных сечений поковки. В данном случае штамповку производим в открытом штампе КГШП [ 1]

4.4 Расчет размеров облойной канавки и объема облоя Выбираем канавку типа I (рис. 1.3). Магазин канавки полностью открыт с одной стороны. Толщину облоя определим по формуле [1]:

где Fn = 6785мм2 — площадь поковки в плане, откуда

= 0,015 * = 1,22 мм. Принимаем 1,5 мм.

Данной высоте облоя соответствует канавка со следующими параметрами.

Определим объем облоя по формуле:

Рп=432 мм — периметр поковки по линии разъема,

b=4 мм, В=15мм,

h0=1 мм,

h2=3 мм.

Отсюда

Vo=411,4*34=13 974 мм3

4.5 Построение эпюры сечений и расчетной заготовки Площадь сечения эпюры определяется:

Sэ = Sn + 2S0,

где Sn — площадь сечения поковки; S0 = 34 мм2 — площадь сечения облоя. Определим площади эпюры в различных сечениях.

S00= 2S0 = 2 * 52,5 = 105 мм²;

S11= Sп11 +2S0 = 38*37+105 = 1499 мм²;

S22= Sп22 +2S0 = 1701 мм²;

S33= Sп33 +2S0 = 1197 мм²;

S44= Sп44 +2S0 = 1114 мм²;

S55= Sп55 +2S0 = 607 мм²;

S66= Sп66 +2S0 = 917 мм²;

S77= Sп77 +2S0 =1353мм2;

S88= Sп88 +2S0 = 1412 мм²;

S99= Sп99 +2S0 = 1253 мм²;

S1010= 2S0 = 105 мм²;

Масштаб эпюры сечений 1:20

Высоту эпюры сечений определим с помощью формулы:

h00=S00/m=105/30=5,25 мм;

h11=S11/m=1225/30=74 мм;

h22=S22/m=1351/30=85 мм;

h33=S33/m=1197/30=74 мм;

h44=S44/m=621/30=55 мм;

h55=S55/m=364/30=30 мм;

h66=S66/m=301/30=45 мм;

h77=S77/m=445/30=62 мм;

h88=S88/m=482/30=70 мм;

h99=S99/m=430/30=62 мм;

h1010=S1010/m=105/30=3.5 мм;

По полученным значениям высот можно построить эпюру сечений.

По полученным площадям эпюры сечений определим соответствующие размеры, необходимые для построения расчетной заготовки.

Соответствующие эпюры диаметров равны:

По полученным размерам построим расчетную заготовку.

Спрямляя все криволинейные участки эпюры сечений прямолинейными получим эпюру сечений вальцованной заготовки (приложение 1).

4.6 Выбор заготовительных и штамповочных ручьев При штамповке данной поковки применяем предварительное профилирование на ковочных вальцах, а так же штамповку на КГШП в два перехода [1]

4.7 Расчет переходов вальцовки Определение количества переходов Определим отношение:

А/Нзг =250/44 = 5.7,

где, А = 250мм — номинальное межосевое расстояние;

Нзг = 44мм — высота заготовки.

По номограмме в зависимости от величины А/ Нзг и от коэффициентов вытяжки для каждого сечения определим отношение осей овальных сечений [2]:

a'1 = 3,8; а''1 = 1,6; а'''1= 1,2.

По номограмме определим коэффициенты вытяжки в зависимости от

A/Hзг и отношения осей овальных сечений первого перехода в данных сечениях:

?'1=2,35; ?''1=1,4; ?'''1=1.2

определим площади поперечных сечений соответствующих овалов:

Определим размеры овала для каждого сечения по формулам:

h = Kл;

b = a*h;

R = ,

h — высота;

в — ширина;

R — радиус овалов.

Откуда:

;

k1=0,715; a1'=1,6; F1'=932 мм2;

;

;

;

k2=0,68; a1''=3; F1''=614 мм2;

;

;

;

k3=0,695; a1'''=2.2; F1'''=750 мм2;

;

;

Определим длины участков после первого перехода:

;

;

;

.

По полученным данным построим эскиз заготовки после первого перехода:

Определение размеров второго перехода Определим величину стороны квадрата:

;

;

.

Где Fnплощадь соответствующего поперечного сечения; 1,02- коэффициент на компенсацию скруглений углов квадрата.

Определим радиусы скругления углов квадратного сечения:

;

;

Длины участков заготовки после второго перехода соответствуют длинам эпюры сечений.

По рассчитанным значениям построим эскиз заготовки после второго перехода:

4.8 Определение размеров исходной заготовки Вычислим объем поковки с облоем:

Vпо=Vп+Vo,

Где Vп=V1+V2+V3=107 541 мм3 — объем поковки, Vo=28 035 мм3 — объем облоя.

Определим объем заготовки с учетом угара.

Где ?=1% - потери металла на угар.

=149 938мм3

Определим объем по расчетной заготовке:

=149 938 мм3

При сравнении объема расчетной заготовки с объемом, посчитанным по чертежу поковки, видно, что они различаются незначительно. Погрешность составляет 1%.

По большему диаметру полученной вальцованной заготовки выбираем диаметр прутка.

Определим длину прутка:

где Sзгплощадь поперечного сечения заготовки.

4.9 Определение температуры разрезки прутка на заготовки В процессе резки на ножницах возможно образование торцовых трещин. Чем больше сечение разрезаемого проката, тем больше опастность их возникновения. Поэтому металл перед разрезкой подогревают. Сталь 18ХГТ подогревают до температуры 450°.

Расчет и выбор оборудования для подогрева прутков перед разрезкой.

Исходные данные:

Пруток диаметром 44, длина — до 6000 мм, длина заготовок — 88 мм, сталь 45, температура нагрева 450 оС, энергоноситель — природный газ, производство — массовое, температура печи 800 оС.

Нагрев прутков перед разрезкой их на заготовки По диаграмме определяем, что диаметр 44 относится к «тонким» заготовкам.

Определяем производительность:

Рассчитываем время нагрева прутка до температуры 450 оС по формуле:

.

При двустороннем нагреве:

Среднее По формуле определяем в начале периода:

В конце периода:

.

за интервал от 0 до 450 оС:

.

Продолжительность нагрева до температуры 450 оС:

или 0,26. 60 = 15.60 мин.

Принимаем, что расстояние между прутками в печи с шагающими балками будет равно диаметру заготовки d. Тогда время Z нужно умножить на коэффициент 1,2, т. е.:

Рассчитываем необходимую площадь пода печи.

Масса прутка:

.

Определяем необходимую площадь пода печи. Сначала по формуле находим площадь, занятую металлом:

Для этого определяем количество заготовок по поду печи:

Далее определяем площадь f, занимаемую прутком с учетом того, что расстояние между прутками равно 42 мм:

Отсюда:

Площадь пода:

По производительности G = 1261 кг/ч необходимой площади пода Fпода = 1,29 м² по табл. 6 (прил.) выбираем печь с шагающими балками НЮЮ-75.8.7/8.

Характеристики печи Размеры рабочего пространства печи

(ширина х глубина х высота), мм…7540×812×700

Условная площадь пода, м2…6

Производительность, кг/ч…9000

Наибольший расход топлива (природный газ)…300

4.10 Расчет силы разрезки прутка на заготовки, выбор оборудования, его характеристика Сила разрезки прутка на заготовки

P = i? в F,

где F= 0,113 м2 — площадь сечения разрезаемого металла,

i = 0,8 — коэффициент,

?в = 540МН / м =540 — временное сопротивление разрыву.

Р = i? в F = 0,8? 540 ?0,113 = 0,38МН = 488кН .

Разрезку прутков на заготовки будем производить в штампе для точной отрезки с дифференцированным зажимом. В качестве оборудования для разрезки применяем кривошипный пресс КД2130 В номинальной силой 1000кН (табл. 1.4).

Таблица 1.4. основные параметры кривошипного пресса КД2130В

4.11 Определение температурного интервала штамповки Для данной марки стали имеем [3]:

— температура начала ковки максимальная — 1280 °C;

— температура конца ковки — 830−720 °С;

— рекомендуемый интервал температур ковки — 1250−750 °С.

4.12 Расчет и выбор нагревательного устройства

В качестве оборудования для нагрева заготовок перед штамповкой выбираем индукционный нагреватель, так как при данном виде нагрева сокращаются потери металла на угар.

Расчет и выбор преобразователя частоты и индукционного нагревателя для нагрева заготовок перед штамповкой.

Исходные данные: габаритные размеры — Dз = 44 мм, lз = 88 мм;

материал — Сталь 18ХГТ;

производительность агрегата — z = 360 шт/час;

температура нагрева поверхности t = 1200−1250 оС.

Расчет и выбор оборудования.

1. Преобразователь частоты Определяем вес заготовки:

По формуле определяем сначала ориентировочное значение мощности:

Проводим уточненные расчеты по формулам.

С учетом? = 0,6

С учетом ?

Принимаем расчетную мощность Рn = 151 кВт.

По графикам рис. 6 принимаем частоту преобразователя — 2400 Гц. Определяем соотношение, т. е. оно входит в оптимальный диапазон равный 4…5.

По табл. 6 выбираем тиристоронний преобразователь частоты ТПЧ-500−2.4 мощность 500 кВт, частота 2400 Гц

2. Индукционный нагреватель Так как нагревается вся заготовка, индуктор берем методического действия. Рассчитываем длину индуктора по формуле Время сквозного нагрева Ф42 определяем по графику 6.

Оно составляет около 90 секунд, ?n = 90 сек.

Отсюда

Тогда

По табл. 7 Выбираем индукционный нагреватель КИН10−500/1П, который имеет следующие характеристики:

— мощность — 500 кВт;

— частота — 1000 Гц;

— длина индуктора — 1500 мм;

— оптимальные размеры заготовки: DЗ = 30…60 мм, lЗ = 50…260 мм;

— производительность: z = 1200 кг/час.

4.13 Расчет силы и выбор вальцов. Техническая характеристика Определим силу вальцовки [2]:

где = 1,08 * 3,4 * 1,65 * 44= 267 — средняя удельная сила вальцовки; п? = 1,08 — коэффициент, учитывающий влияние неравномерности уширения при вальцовке; nv = 3,4 — коэффициент, учитывающий влияние скорости деформации; пТ = 1,65 — коэффициент, учитывающий влияние трения на контактной поверхности сектор — штамп — металл и влияние жестких концов; ?s=44MПа — предел текучести материала при температуре вальцовки; bср = 33,5ммсредняя ширина очага деформации; Rp = 78мм — рабочий радиус валков; h = 11ммразность высот заготовки при входе и выходе из валков.

Определим крутящий момент[2]:

где — плечо силы; ?=0.97 — КПД зубчатой передачи.

По силе, необходимой для вальцовки, а так же по диаметру исходной заготовки выбираем ковочные вальцы с параметрами, приведенными в таблице 1.5.

Таблица 1.5 — Ковочные вальцы консольные (ГОСТ 16 434−80Е)