книги из ГПНТБ / Повышение точности поковок С. И. Ключников. 1960- 23 Мб

Площадь, занимаемая бесшаботный молотом, примерно в 5 раз меньше площади, занимаемой гидропрессом (с учетом площа­ ди для выдвижения стола, но без площади насосно-аккумулятор­ ной станции). Верхняя отметка бесшаботного молота в два раза

меньше чем у гидравлического пресса. По стоимости бесшаботный молот значительно дешевле гидравлического пресса.

В настоящее время имеется действующий бесшаботный молот с максимальной энергией удара 80 000 кГм\ наряду с изготовлен­ ным молотом 120 000 кГм ведутся работы по изготовлению бесша­ ботного молота с энергией удара 150 000 кГм, т. е. эквивалентного проектируемому гидропрессу усилием 75 000 т. Во всех случаях,

когда штамповка целесообразна и возможна посредством ударно­

го деформирования, а поковка подходит по габаритам, следует применять для крупных деталей бесшаботные молоты. Гидравли­ ческие прессы, несмотря на более высокую их стоимость и большие

габариты, являются более универсальным штамповочным обору­

дованием и в ряде случаев не могут быть заменены бесшаботными молотами и другими видами машин.

Так как механические связи у бесшаботных молотов большого размера (ленточные и рычажные) оказались в работе ненадежны­ ми, то была применена другая, более сложная конструкция меха­

низма связи — гидравлическая.

Паровоздушные бесшаботные молоты с гидравлической связью

создаются на базе паровоздушного бесшаботного молота с ленточ­ ным механизмом.

Гидравлический механизм связи расположен внизу молота под

нижней бабой. В корпусе под нижней бабой устроены три сообща­ ющихся между собой гидравлических цилиндра, в которые входят:

средний плунжер и два боковых плунжера меньшего диаметра. Боковые плунжеры связаны с верхней бабой посредством длинных штоков, закрепляемых через резиновые амортизаторы к боковым выступам верхней бабы. Средний плунжер коротким штоком че­ рез резиновый амортизатор соединен с нижней бабой. При движе­

нии верхней бабы вниз под действием сжатого воздуха (или пара) боковые плунжеры вытесняют жидкость из боковых цилиндров в средний и тем самым заставляют средний плунжер, а следователь­ но, и нижнюю бабу перемещаться вверх. Так как площадь двух боковых плунжеров равна площади среднего плунжера, то нижняя баба получает скорость, равную скорости верхней бабы.

Гидравлический механизм связи в работе более надежен, поэто­ му бесшаботные молоты для производства крупногабаритных по­ ковок выполняют преимущественно с гидравлическим механизмом связи. В табл. 45 приведены основные данные, характеризующие паровоздушные бесшаботные молоты с гидравлическим механиз­ мом связи.

В целях сохранения стойкости штампов, даже при штамповке алюминиевых сплавов, последние подвергают нагреву. Хотя в отожженном состоянии сплав имеет прочность на сжатие

1900 кГ[см?, тем не менее отпрессовать его в холодном виде нельзя,

271

так как при штамповке удельные давления (при нагреве даже до

400°) составляют 1575—3150 кГ1см2, несмотря на то, что при 400° пластичность сплава не менее, как в четыре раза больше, чем в хо­ лодном состоянии. Если указанные удельные давления увеличить

вчетыре раза, то они будут значительно больше предела

прочности на сжатие для стали, из которой изготовлен штамп.

Удельные давления, воспринимаемые штампами, также зависят от характера поковки (для одного и того же материала). Так, на­ пример, для круглой поковки диаметром 1220 мм или прямоуголь­ ной шириной 610 мм и длиной 1830 мм в случае простого профиля требуется пресс усилием 20 000 т, а для сложной поковки, с той же

площадью ее проекции, требуется пресс усилием 40 000 т. Следо­

вательно, во втором случае к штампам предъявляются более высо­ кие требования.

Штампы для крупногабаритных поковок большей частью быва­ ют литые из стали. Марка стали выбирается в зависимости от ма­ териала поковки и сложности ее профиля. В отличие от молотовых штампов, на гидравлических прессах штамповые блоки при отсут-

272

применяемых на эквивалентных молотах. В прессовых штампах может быть уменьшена глубина, а также толщина стенок вокруг

рабочей полости штампа за счет увеличения площади поверхности штампа. Так, например, блок штампов весом 15 т, глубиной 380 мм

будет иметь площадь 3,22 ж2. В настоящее время уже применяют­ ся специальные копировально-фрезерные станки, которые могут обрабатывать такие блоки. Полость штампа приходится вырезать

в цельном блоке из закаленной стали. В случае штампов для штамповки главных лонжеронов, имеющих узкую удлиненную форму, можно воспользоваться способом составления полости штампа из ряда отдельных вкладышей, которые можно было бы

обрабатывать на сравнительно небольших копировально-фрезер­ ных станках и собирать в общем блоке. Изготовление больших штампов является весьма дорогостоящим. Значительное снижение стоимости крупных штампов возможно путем применения вклады­ шей и секционных штампов.

Другие сведения о штампах для крупногабаритных поковок из­ ложены выше, при рассмотрении технологических процессов изго­ товления отдельных поковок.

Созданные кузнечно-прессовые машины дали возможность штамповать крупногабаритные поковки. В настоящее время штам­

пуются крупные поковки из алюминиевых и магниевых сплавов, а

также осваивается штамповка крупных поковок из сталей. К таким поковкам, переведенным на штамповку, относятся коленчатые ва­ лы, картеры двигателей, цельноштампованные воздушные винты, диски газовых турбин, крупногабаритные детали подвижного со­

става железнодорожного транспорта, лонжероны, крупные детали, узлы и части самолетов и других машин. Штамповка крупногаба­ ритных поковок или изготовление их методом штамповки отдельных элементов с последующей сваркой для получения штампо-сварных изделий позволяет резко сократить трудоемкость изготовления их в кузнечных цехах, уменьшить расход металла и значительно со­ кратить объем последующей механической обработки. Наряду с этим производство штамповкой круглых поковок улучшает их

точность.

Произведенный анализ поковочных весов и размеров ряда крупногабаритных поковок одного прессового цеха показал, что

фактические припуски на поковках, разрешенные техническими

условиями, в силу больших колебаний вокруг средних (номиналь­ ных) припусков и значительных верхних отклонений от минималь­ ных (гарантированных) припусков при свободной ковке получа­ ются настолько большими, что по ряду поковок (см. табл. 8), коэф­ фициент использования металла при механической обработке

ТОЧНОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ КРУПНЫХ поковок

Достигаемая точность размеров. Большое колебание черных ве­ сов поковок объясняется несовершенством процесса свободной ковки, применением при обработке грубых кузнечных инструмен­

тов. Практика показывает, что откованные на гидравлических прессах крупные поковки в большинстве случаев имеют верхние отклонения размеров от номинальных и нередко выходят за преде­ лы максимально допустимых по чертежу поковки.

Значения величин отклонений фактических припусков от но­ минальных (средних) и минимальных иллюстрируются следующи­

ми данными.

Количество стружки, удаляемой при механической обработке поковок, изготовленных свободной ковкой на гидропрессах, состав­ ляет (в кг):

Перевод крупных поковок со свободной ковки на штамповку, даже при сохранении минимальных припусков, в силу большей стабильности процесса формоизменения, обусловленной примене­

нием штампов, позволяет резко уменьшить колебания фактических

размеров поковок за счет сужения верхнего и нижнего отклонений от номинала. При этом значительно увеличивается конфигураци­ онная точность отштампованных поковок за счет устранения неиз­

бежных при свободной ковке напусков.

При изготовлении крупных штампованных поковок из алюми­ ниевых сплавов необходимо учитывать влияние на точность поко­ вок следующих факторов: теплового расширения и сжатия штам­ пов и поковки; упругого прогиба и пластической деформации штампов; упругой деформации самого пресса; деформирования поковки при извлечении ее из штампа; деформирования поковки при окончательной термической обработке.

При охлаждении алюминиевой поковки длиной 3050 мм с тем­ пературы штамповки 400° до комнатной температуры она укора­

274

Эту усадку можно учесть соответствующим припуском, что обыч­ но и делается в практике кузнечных цехов. Однако в крупных по­ ковках эта проблема усложняется, так как усадка достигает зна­ чительной величины. Нагрев массивных штампов, вес которых ис­

туры представляет значительные трудности.

Для (предотвращения упругого прогиба, который может повлечь за собой пластическую деформацию штампов, следует работать с умеренными удельными давлениями, рассчитываемыми по всей пло­ щади штампуемой поковки, и при конструировании деталей необ­ ходимо учитывать особенности процесса штамповки. Если металл

между штампами может свободно течь, то давление пресса повы­ шаться не может. При наличии в поковке стенки, толщина которой слишком мала по сравнению с ее шириной, металл не может сво­ бодно течь, и давление может повыситься. Труднее избежать из­ гиба штампов при изготовлении деталей неправильной формы или детали очень большой длины и со значительными колебаниями распределения массы металла по длине. Имеются случаи, когда изгиб траверсы мощного пресса сделал затруднительным получе­ ние точных поковок.

Извлечение готовой поковки из штампа без ее повреждения или деформирования может быть сопряжено с большими трудностями.

Застревание поковки в полости штампа зависит не только от чи­

стоты отделки рабочих поверхностей штампа и применяемой при прессовании смазки, но и от конструкции и жесткости поковки. Даже в идеальных условиях отштампованную поковку извлечь из штампа трудно, так как после того как большая поковка начнет охлаждаться и сжиматься, размеры полости штампа и поковки уже не будут точно соответствовать друг другу.

При термической обработке отштампованные поковки претер­

певают коробление. Подбирая соответствующим образом состав некоторых алюминиевых сплавов, можно улучшить их закаливае­ мость, имея в виду переход при закалке с холодной воды на го­ рячую или кипящую. Однако даже и в таком случае напряжения, вызываемые закалкой, будут причиной коробления и изгиба, если деталь не обладает достаточной жесткостью, т. е. если отношение площади поверхности к массе слишком велико. С другой стороны,

если деталь слишком массивна, т. е. если отношение величины поверхности ее к массе слишком мало, то в ней могут возникать представляющие опасность внутренние напряжения. Толщина лю­ бого сечения, подвергнутого закалке, не должна превышать 102— 127 мм. В случае крупных поковок любого рода, это условие обычно удовлетворяется путем черновой обработки или расточки перед термической обработкой. Поэтому при конструировании да­ же более крупных деталей полезно помнить, что форма детали

должна допускать снятие этого избытка.

Описанные выше факторы, влияющие на точность, относятся в равной мере к алюминиевым и магниевым сплавам, хотя послед-

ние не подвергаются термической обработке. В данном случае

нет надобности принимать во внимание коробление или возникно­

вение внутренних напряжений при этой операции.

Кроме указанных факторов на точность штампованных круп­

ных поковок влияют прилагаемые удельные давления пресса. Так, например, для получения крупных поковок из легких сплавов без штамповочных уклонов пресс должен иметь усилие, примерно в

4

Фиг. 157. Две схемы штамповки крупных поковок двутаврового сечения на гидропрессе с нормальны­ ми <7 и повышенными а удельными давлениями:

1 — пуансон; 2 — деталь; 3 — выталкиватель; 4 — матрица.

31 кГ/мм2 при обычной штамповке. При штамповке с применением повышенных удельных давлений нет необходимости в штампо­ вочных уклонах (фиг. 157,а). Следующей особенностью такого процесса является возможность получения вертикальных полок

(ребер) с минимальной толщиной 2,3 мм при высоте их до 75 мм,

против минимальной толщины стенки при обычной штамповке 12,6 мм. При повышенных удельных давлениях пресса снижаются и допуски на размеры. Например: для двутавровой детали (фиг. 157, а) допуск на толщину полотна, равную 3,3 мм, состав­

ляет +0,75 мм, допуск на толщину полок в 2,3 мм составляет +0,38 мм и допуск на длину 305 мм равен +6,3 мм.

Указанным методом одна фирма США изготовляет более 200 наименований деталей в самолетных конструкциях и имеет но­

менклатуру, доходящую до 60 наименований на одну модель са­ молета.

Одной из особенностей при эксплуатации крупных гидравличе­

ских прессов является эксцентричность нагрузок, возникающих при прессовании, в связи с несовпадением центра давления на

276

металл заготовки с центром пресса. Указанная эксцентричность является следствием неравномерного сопротивления металла де­ формированию по поверхности поковки, вследствие неравномерного профиля поверхности, неравномерного нагрева заготовки, неравно­ мерного распределения смазки при прессовании и т. д. Вследствие эксцентричности нагрузки подвижная траверса, несущая верхний

штамп, перекашивается, что отрицательно сказывается на размер­ ной точности крупных поковок. Современные мощные прессы для

компенсации эксцентричных нагрузок при штамповке оснащаются

цилиндрами-компенсаторами с автоматическим управлением. В прессе усилием 45 000 т предусмотрена компенсация эксцентрично­ сти в 610 мм для короткого и 914 мм для длинного направления, что представляет большой прогресс по сравнению с тем положением,

которое имело место до недавнего прошлого.

Если штамповка обычных фасонных поковок за несколько пе­ реходов осуществляется в одном многоручьевом штампе, то при изготовлении крупногабаритных поковок для достижения повы­ шенной точности каждый переход осуществляется в отдельно­ устанавливаемом штампе. Несмотря на увеличение издержек на>

штампы, издержек на дополнительные нагревы и эксплуатацион­ ные расходы, изготовление крупных фасонных поковок в несколь­ ких штампах оказывается экономически выгоднее, нежели изго­

товление их в одном штампе (за один переход) с последующим большим объемом механической обработки по удалению больших припусков и напусков. С другой стороны, потребные при этом большие усилия прессов, также оправдываются в связи с получе­ нием на таких прессах большей размерной и конфигурационной точности поковок.

ТИПАЖ поковок И ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ИХ КОНСТРУКЦИИ

*

Ранее многие части или узлы машин, особенно из алюминиевых

имагниевых сплавов, собирались с помощью клепки или сварки из

большего количества мелких деталей или из тонкого и толстолис­

тового проката с применением в качестве элементов жесткости

выдавленных или катаных профилей.

Внастоящее время такие крупногабаритные детали или узлы

изготовляются в виде цельноштампованной поковки на гидропрес­ сах. Перевод таких собранных узлов и частей машин на цельноме­

таллические штампованные поковки потребовал от конструкторов

итехнологов изменения конструкций узлов с целью облегчения изготовления их штамповкой на гидропрессах. Примером таких конструкций могут служить: часть шпангоута фюзеляжа, лонже­

рона, рабочего колеса центробежного компрессора, специальные профили, полученные ступенчатым прессованием, специальные

ребристые профили и т. д.

Из стальных крупногабаритных поковок следует назвать такие как: коленчатые валы, дышла, днища котлов высокого давления,

барабаны котлов и сосудов высокого давления, генераторные ва-

277

лы, диски турбин, баллоны, бандажи углеразмольных мельниц и др. Значительные возможности снижения трудоемкости и эконо­ мии металла предполагаются при изготовлении крупногабаритных

стальных поковок с применением элементов штамповки, раскатки,

сварки, секционной ковки и т. д.

ходимо иметь одну пару ком­ плектов последовательных

штампов, хотя бы это было связано с значительными издержками.

Грубо обжатую заготовку запрессовывать под большим давлением прямо в чистовой ручей не рекомендуется, так как извлечение по­ ковки из штампа будет затруднено и приведет к ее деформирова­

нию. Большие трудности представляет штамповка в одном штампе таких поковок, которые имеют глубокие ребра и малые углы накло­ на вертикальных стенок. Рассмотрим примеры изготовления неко­ торых крупногабаритных поковок штамповкой на гидравлических прессах большой мощности.

На, фиг. 158 показаны основные переходы при изготовлении ковкой — штамповкой заднего лонжерона из заготовки диаметром 140 мм и длиной 1830 мм (фиг. 158, а). Последовательность техно­ логического процесса такова: нагрев болванки до температуры

278

475°; протяжка на ковочных вальцах до размеров, показанных на фиг. 158,6; обрезка концов по длине и удаление дефектов с по­ мощью абразива; нагрев до температуры 475°; обжим заготовки в открытых штампах для подготовки к предварительной штамповке; нагрев до температуры 475°; предварительная штамповка; травле­

ние; обрезка заусенца; механическая обработка; нагрев до темпе­ ратуры 475°; окончательная штамповка на гидравлическом прессе усилием 18000 т (фиг. 158, в); травление; обрезка заусенца; механическая обработка; термическая обработка в печи непрерыв­ ного действия; рихтовка на рихтовочном прессе; искусственное старение; травление; определение твердости по Бринелю и про­ верка 10% деталей на ультразвуковом дефектоскопе; окончатель-

--------------------1830

Фиг. 158. Переходы при штамповке заднего лонжерона длиной 3 000 мм для крыла истребителя (США).

ный контроль размеров и наружный осмотр; проверка на макро­ структуру и прочность одной детали из партии.

В данном примере для получения формы сложной детали по­ требовалось иметь четыре последовательных деформирующих пере­ хода: протяжку на вальцах, грубый обжим в открытых штампах, предварительную и окончательную штамповку. Для устранения операции травления целесообразно применять для нагрева печи с защитной атмосферой. Необходимо применять также промежу­ точную небольшую механическую обработку полуфабриката для снятия металла там, где последующая штамповка грозит образо­ ванием заворота или складки. Поковка заднего лонжерона спроек­

тирована таким образом, что для стороны с фасонным отштампо­

ванным рельефом практически уже не требуется механической обработки, а необходимая точность обеспечивается благодаря об­ работке резцом противоположной стороны детали. Опыт штампов­ ки крупных деталей из легких сплавов показывает, что минималь­ ный радиус галтели в рельефной части поковки составляет 9—10°. Кроме того гравюра штампа на необрабатываемой стороне поков­ ки должна иметь предельную точность.

Самая большая поковка, отштампованная на гидравлическом прессе усилием 45000 т, имеет габариты 4000X910X305 мм, вес

279

1370 кг. Поковка представляет собой часть фюзеляжа самолета типа ХРМ.6 18]. Выемка детали производилась из штампа с по­ мощью мостового крана со специальным захватом. Штампы сде­ ланы из стальной броневой плиты весом 68 т. Перед установкой на фрезерный станок заготовка подвергается строжке со съемом около 6,4 т металла. При фрезеровании и выемке гнезд для зам­ ков и креплений дополнительно снимается 7,6 т металла. Вес

готового к употреблению штампа составляет 54 т. На прессе уси­

лием 45 000 т намечается применение штампов длиной до 9—10 м. Характерное для конструкции лонжеронов наличие тонких пе­ ремычек в штампованных поковках обеспечивается специфически­ ми приемами ковки. Так, например, для получения перемычки толщиной 15 мм необходимо в первом штампе предусмотреть пе­ ремычку по сфере с толщиной в центре 9 мм, с выпрямлением в

последующем штампе до толщины 12 мм в центре и, наконец, с

выравниванием в конце обжатия толщины перемычки до 15 мм

по всей ширине перемычки. Следует отметить, что штамповка пе­ ремычки за один переход не обеспечивала получения толщины менее 25 мм. Для получения требуемой точности и формы рельефа поковки при наименьшем числе переходов при штамповке необ­ ходимо стремиться к такой конструкции детали, которая удовлет­

воряла бы требованиям технологии ковки и штамповки. Примером переходов при изготовлении сложной поковки слу­

жит болванка алюминиевого сплава диаметром 165 мм, длиной 2700 мм, весом 120 кг. На первых трех переходах производится формирование двух выступов и высадка торцового фланца. На каждом переходе требуется подогрев и применяются отдельные штампы.

После нагрева в одной из трех печей, обслуживающих 18 000тонный пресс, производится двойной изгиб заготовки. Эта опера­ ция выполняется при поперечном движении стола пресса под дей­ ствием гидропривода (предназначаемого обычно для выката штампов при их смене). Во время движения стола конец заготов­ ки, не имеющий фланца, вставляется в отверстие матрицы, и стол начинает двигаться в обратном направлении. При этом заготовка

упирается в верхнюю матрицу и загибается на определенный угол.

Затем заготовка переставляется в другое отверстие нижней матри­

цы, расположенное под другим углом, и операция повто­ ряется.

После этого заготовка нагревается вновь и штампуется в за­

крытом штампе для получения приблизительной формы заданной по чертежу. Затем производится обрезка заусенца в штампе на механическом прессе усилием 1000 т. После травления следует механическая обработка для удаления поверхностных дефектов. Дальше поковка проходит следующие операции: нагрев, чистовую

штамповку, обрезку заусенца, травление, механическую обработ­ ку, контроль, обдирку некоторых поверхностей поковки (для обес­ печения равномерности термической обработки), термическую обработку, рихтовку, искусственное старение, травление, опреде­

280