Термообработка поковок

Для снятия внутренних напряжений, улучшения структуры, получения требуемой твердости применяют следующие виды термической обработки стальных поковок: отжиг, нормализация, закалка, улучшение и отпуск. На рис.2 приведены температурные области термообработки стальных поковок с различным содержанием углерода.

Отжиг – нагрев доэвтектоидной стали выше точек А₃, заэвтектоидной стали – выше А_ст и выдержка с последующим охлаждением вместе с печью.

Нормализация – нагрев выше линии А₃ или А₁, выдержка и охлаждение на воздухе.

Закалка – нагрев выше точек А₃ или А₁, выдержка и быстрое охлаждение в воде или масле. После закалки получается пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с искаженной структурой, называемой мартенситом.

Отпуск заключается в нагреве металла ниже критических точек PS, выдержке и охлаждении на воздухе. Различают высокий отпуск (нагрев до T=450-650° и охлаждение для получения структуры сорбита отпуска), средний отпуск (нагрев до T=350-450° и охлаждение для получения структуры троостита отпуска) и низкий отпуск (нагрев до Т<250°С и охлаждение для получения структуры мартенсита отпуска и частичного снятия внутренних напряжений). Закалку с высоким отпуском называют улучшением.

Виды и режимы термообработки поковок из цветных сплавов приведены в [3,20].

Холодная объёмная штамповка

К объёмной штамповке относятся операции осадки, объёмной формовки, выдавливания, высадки, калибровки, чеканки, выполняемые аналогично одноименным операциям ГОШ. Особый интерес представляет операция выдавливания, осуществляемая в штампах на механических и гидравлических прессах прямым, обратным и комбинированным способами [5,6].

Холодное выдавливание применяют для получения деталей из алюминиевых, медных, магниевых сплавов, из конструкционных (содержание углерода < 0,45%) и низколегированных сталей. Усилие выдавливания (МН) определяется выражением: Р = р∙F, где р - давление прессования, МПа (см. таблицу); F – проекция площади пуансона на плоскость, перпендикулярную направлению выдавливания, м².

Приближенно удельное усилие холодного выдавливания определяется в виде:

где a = 3…5 – коэффициент, учитывающий влияние условий деформирования, условий трения и свойства металла; - предел прочности металла; F₀ и F₁ – соответственно площадь поперечного сечения исходной заготовки и выдавленной части детали.

Таблица

Давление прессования для холодного выдавливания, мПа

Материал	Способ выдавливания
	прямой	обратный
Алюминий	400…700	800…1200
Медь	800…1000	1500…2000
Латунь Л68	1000…1600	1800…2500
Сталь 10, 15	1200…2000	2000…3000

Усилие деформирования W = q∙F_п, где F_п – площадь поперечного сечения пуансона. Точность изготовления деталей находится в пределах 8…14 квалитетов, параметр шероховатости R_a = 10…0,63 мкм.

Х олодная высадка – безотходный способ изготовления крепежных деталей и малоотходный – при изготовлении деталей типа ступенчатых и шаровых пальцев длиной до 300 мм, роликов и шариков диаметром до 50 мм. Для холодной высадки применяют калиброванный материал круглого сечения с допусками по 8…11 квалитетам. Применяемые материалы: стали марок от ст.08 до ст.45; инструментальные стали У10А, У12А; легированные стали 15Г, 20Г, 35Г2, 15Х-40Х, 40ХН, 15ХФ, 20ХФ, ШХ15; сплавы цветных металлов: Д1, Д16, латунь ЛС59-1 и др. Высадку деталей производят на холодновысадочных автоматах, а при их отсутствии – на кривошипных и фрикционных прессах, аналогично ГОШ. В первом переходе ролики 2 подают пруток 1 до упора 4, после чего матрица 3 перемещается на позицию высадки, отрезая от прутка мерную заготовку. Во втором переходе ударом высадочного пуансона 5 производится высадка головки. После возврата пуансона в исходное положение заготовка выталкивается толкателем 6, который также возвращается в исходное положение, а матрица вновь возвращается на позицию подачи. Требуемая длина исходной заготовки диаметром d равна L = l + l₁, где l₁ – д лина стержня, внутри матрицы, l – длина выступающей из матрицы заготовки, необходимая для образования головки диаметром D и высотой h. Из условия равенства объёма выступающей части стержня объёму высаженной головки имеем отсюда . Формулы для определения длины l для наиболее распространенных форм головок приведены в [5]. Точность размеров элементов детали, оформляемых в матрице или в пуансоне, соответствует 8…11 квалитетам, точность размеров по длине – 11…14 квалитету. Параметр шероховатости поверхностей находится в пределах R_a = 0,32…3,2 мкм.

ХОЛОДНАЯ ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА [3,5,6]

Листовая штамповка – способ изготовления плоских и объёмных тонкостенных (S≤10мм) изделий из листов, полос или лент с помощью штампов на прессах. Все операции листовой штамповки делятся на разделительные и формоизменяющие. Разделительные операции: отрезка, вырубка-пробивка. Отрезка – полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем сдвига. При вырубке и пробивке пуансон 2 вдавливает отделяемую часть материала в отверстие матрицы 4. Оптимальная величина зазора между инструментом зависит от толщины S заготовки 3, пластических свойств материала и составляет (6…10%)S. Величину усилия разделительных операций определяют по формуле:

где L – длина линии реза; S – толщина металла; - предел прочности металла.

Формоизменяющие операции: гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, формовка. Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки. В местах изгиба наружные слои заготовки растягиваются, внутренние – сжимаются; между ними расположен нейтральный слой, не испытывающий ни растяжения, ни сжатия. По развернутой длине нейтрального слоя определяют длину заготовки до гибки.

При снятии внешних сил растянутые слои стремятся сжаться, а сжатые слои – удлиниться. Поэтому при разгрузке в зависимости от механических свойств материала (отношения Ϭ_т/Е), отношения R/S изменяется угол α между полками – проявляется эффект пружинения при гибке. Минимальные радиусы R, исключающие разрушение заготовки, в зависимости от пластичности материала принимают R_min= (0,1…2)S. Усилие одноугловой V-образной гибки:

где В – ширина заготовки.

Вытяжка – образование полой детали из плоской или полой листовой заготовки. При вытяжке без утонения стенки вырубленную заготовку 6 диаметром D давлением пуансона 3 втягивают в отверстие матрицы 1. По ширине фланца, равной D-d, возникают радиальные растягивающие и тангенциальные сжимающие напряжения. Сжимающие напряжения приводят к некоторому утолщению материала у верхнего, торцового края изделия, а при (D – d) > (18…20)S – к образованию складок. Для предотвращения образования складок применяют прижим 5 фланца заготовки к плоскости матрицы. Между поверхностями пуансона и матрицы предусматриваю зазор z = (1,1…1,3)S.

Возможность вытяжки за один переход без обрыва дна определяется коэффициентом вытяжки К_в = D/d, который в зависимости от механических свойств металла составляет 1,8…2,1. Если по расчету К_в окажется больше допустимой величины, вытяжку выполняют за два перехода. Усилие вытяжки

где b = 1,1…1,2 – для первого перехода вытяжки; b = 1,6…1,9 – для последующих переходов вытяжки отожженной заготовки; b = 2,3…2,7 – для последующих переходов без межоперационного отжига.

При вытяжке с утонением стенки зазор между матрицей и пуансоном меньше толщины стенки исходной заготовки, которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. За один переход толщина стенки может быть уменьшена в 1,5…2,0 раза. Размеры заготовки определяют из условия равенства объёмов металла заготовки и изделия.

Отбортовка – образование борта по внутреннему или наружному контуру листовой заготовки (см. рис.). Во избежание образования продольных трещин необходимо, чтобы коэффициент отбортовки К_от = d_Б/d₀ = 1,2…1,8. Диаметр отверстия под отбортовку определяют по формуле d₀ = D₁ - π∙(r_м + S/2) - 2h.

Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения полой заготовки. Во избежание образования продольных складок в обжимаемой части необходимо соблюдать коэффициент обжима К_о = D_заг/d_изд = 1,2…1,4.

Рельефная формовка – образование рельефа в листовой заготовке с её местным деформированием.