§ 93. Технологический процесс

Разработка технологического процесса зависит от формы и размеров деталей, а также от тех материалов, из которых они изготавливаются, и от годового выпуска. Перед разработкой все детали из одного и того же материала разбиваются по видам и геометрическим размерам на соответствующие группы.

Типовой технологический процесс изготовления деталей холодной объемной штамповкой включает следующие основные операции: разделка исходного материала на мерные заготовки, удаление заусенцев, калибровка заготовок или равнение (планировка) ее торцов, предварительная или промежуточная термообработка для улучшения пластических свойств деформируемого материала, очистка заготовок от окалины, фосфатирование (если детали стальные) и смазка, формоизменяющие операции, окончательная механическая обработка (доделочные операции). При изготовлении некоторых деталей порядок выполнения операций может быть иным, отдельные из перечисленных операций могут не потребоваться или, наоборот, придется дополнительно ввести другие операции [46].

Расчет технологических переходов приведен в специальной литературе, справочниках или отдельных статьях.

Разделка исходного м а тер и а л а. В зависимости от формы детали и степени деформации исходный материал может быть в виде бунта, прутка, полосы и листа.

Материал в бунтах применяется, когда диаметр заготовки не превышает 20...22 мм. Масса бунтов, состоящих из одного конца без сварки, равна 50—100 кг, сварных — до 1000 кг. Внутренний диаметр бунта — от 650 до 1000 мм. За рубежом выпускается бунтовой металл диаметром до 28 мм.

В тех случаях, когда диаметр заготовки более 22 мм, в качестве исходного материала применяют пруток, который может быть круглого, квадратного или шестигранного сечения. Прутки диаметром более 60 мм разрезают на мерные заготовки на специальных фрезерно-отрез-ных станках (одновременно производится удаление заусенца, образующегося после отрезки), на специальных пресс-ножницах, обеспечивающих качественный срез, или на прессах-хладноломах.

При отрезке на фрезерно-отрезных станках заготовки не требуют дальнейших операций по удалению заусенцев и равнению торцев заготовки, но процесс связан с потерями металла в стружку и является более трудоемким. Выбор того или иного способа разделки прутков на мерные заготовки зависит от марки материала, размеров заготовки, технических требований, предъявляемых к заготовке, и решается в каждом отдельном случае.

В последнее время достигнуты определенные успехи в области _без-отходной разрезки прутков на мерные заготовки с качественной поверхностью среза. Это обеспечивается в основном четырьмя способами: отрезкой с осевым сжатием, отрезкой с радиальным сжатием, отрезкой кручением, повышением скорости при отрезке. Разработана теория и предложены различные конструкции штампов (например,, штамп Станкина) и машин для качественной разрезки.

Отрезка с осевым сжатием (называемая иногда также закрытой) дает наиболее качественный срез, но из-за сравнительно низкой стойкости инструмента применяется преимущественно для разрезки цветных металлов (медь, алюминий и их сплавы). Этот способ позволяет получать весьма короткие и даже плоские заготовки.

За рубежом выпускаются специальные агрегаты, обеспечивающие получение ровного торца при разрезке прутков. Фирма «Педдингхауз» (ФРГ) изготовляет, например, пресс-ножницы «Кадди» усилием от 250 до 2500 кН, позволяющие отрезать ровные затотовки минимальной высотой, равной 0,5...0,8 диаметра прутка.

Весьма перспективным и производительным способом, получившим в последнее время распространение на ряде предприятий, является изготовление заготовок из бунтового и пруткового материала поперечно-винтовой прокаткой (предложен акад. А. И. Целиковым). Получаемые при этом заготовки имеют выпуклые торцы, повышенную точность по размерам и массе, вследствие чего их используют для выдавливания без предварительной калибровки.

Прутковый материал бывает горячекатаным и холоднокатаным. В тех случаях, когда первой формоизменяющей операцией является высадка, предпочтение должно быть отдано калиброванным пруткам, ибо даже слабо наклепанный стержень имеет большую устойчивость к продольному изгибу, чем ненаклепанный (отожженный), что весьма важно при высадке.

Если используются горячекатаные прутки, то иногда применяется обдирка их по наружному диаметру с последующей обкаткой роликами. Для деталей, изготовляемых выдавливанием, наиболее целесообразно, если диаметр исходного материала позволяет (см. § 100) отрезать заготовки на холодновысадочных автоматах. Хотя холодновысадочные автоматы не дают ровный срез, но на позиции высадки торцы можно выровнять и получить заготовку с плоскими параллельными торцами без заусенцев. При необходимости .заготовки могут иметь фаски и наметки под следующую операцию. На холодновысадочных автоматах можно также получать кольцевые заготовки, которые целесообразно использовать для выдавливания полых деталей вместо того, чтобы образовывать полость при выдавливании, а затем пробивать дно. При выдавливании полых заготовок требуется меньшее усилие, чем для равных им по наружному диаметру сплошных заготовок, и, следовательно, стойкость инструмента выше. Применяют также и сваренные кольцевые заготовки, которые получают на автоматах, предназначенных для изготовления сварных цепей, или на специализированном оборудований.

Заготовки диаметром более 25 мм иногда отрезают от прутков на токарных автоматах, правда при этом некоторая часть материала уходит в стружку, но торцы получаются ровными и без заусенцев, что весьма важно для выдавливания.

Разрезку цветных металлов и сплавов производят также на ножницах, дисковых и ленточных пилах и фрезерных станках.

Плоские заготовки из черных и цветных металлов и сплавов обычно вырубают из полосы на кривошипных прессах с автоматической подачей. В тех случаях, когда для получения плоских заготовок по ГОСТу нет соответствующей полосы, в качестве исходного материала применяют лист, который разрезают на соответствующие полосы.

Удаление заусенцев. Заготовки, предназначенные для холодной объемной штамповки и особенно для выдавливания, при наличии на них заусенцев должны быть зачищены. Недопустимы также заусенцы и на заготовках, которые подаются в штампы автоматизирующими устройствами, так как могут вызвать застревание заготовок в этих устройствах. У заготовок массой до 500 г удаление заусенцев может осуществляться галтовкой в галтовочных барабанах. При массовом и крупносерийном производствах следует применять галтовочные барабаны проходного типа. Зачистку заусенцев у более тяжелых заготовок производят на дробеструйных машинах. Для мелких деталей дробеструйная очистка не особенно желательна, так как приводит к сильному наклепу поверхностного слоя, что повышает сопротивление деформации и снижает стойкость инструмента на формоизменяющих операциях. У крупных деталей влияние поверхностного наклепа менее ощутимо- вследствие относительно меньшей величины поверхности, приходящейся на единицу объема.

Калибровка заготовок. В тех случаях, когда при отрезке у заготовок не обеспечивается получение ровных параллельных торцов и поперечное сечение искажается, они подлежат калибровке. Калибровка может осуществляться в специальных штампах, обеспечивающих получение ровных торцов (планировка торцов) и точный диаметр. Такие штампы, как правило, закрытые, поэтому отклонение объема заготовки, получающееся вследствие неточного реза и колебаний диаметра прутка, необходимо компенсировать. Для этого в калибровочных штампах предусматривается возможность частичного выплеска t металла, например, в торцевой заусенец. Такой прием часто используется при калибровке заготовок под обратное выдавливание. Образующийся при этом заусенец должен быть удален перед последующей операцией. В этих случаях удаление заусенца перед калибровкой обычно не производится. Если к диаметру отрезанной короткой заготовки не предъявляют строгих требований, то ее можно осаживать между двумя параллельными плитами, что увеличит ее диаметр. Предварительная осадка позволяет в качестве исходного материала использовать прутки меньшего диаметра и этим облегчить отрезку, если необходимы заготовки с небольшим отношением высоты к диаметру. , ' . '

Калибровка, равнение торцов и осадка могут осуществляться на чеканочных и кривошипных прессах. Весьма крупные заготовки могут осаживаться на гидравлических прессах.

Предварительная и промежуточная термообработка. Термическая обработка заготовок (отжиг) производится для уменьшения удельного усилия деформирования и, следовательно, повышения стойкости инструмента, а также для улучшения штампуемости материала.

Термическая обработка (отжиг) исходных заготовок производится обычно после калибровки. Промежуточная термообработка (промежуточный отжиг) осуществляется между технологическими переходами после штамповочных операций, на которых вследствие • значительной пластической" деформации материал сильно упрочняется.

Выбор режима термообработки определяется природой и химическим составом деформируемого материала, состоянием его в момент поставки, а также технологией штамповки и подготовительных операций. Полный отжиг обеспечивается при температурах выше температуры рекристаллизации, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и охлаждении вместе с печью. С точки зрения уменьшения сопротивления деформированию высокотемпературный отжиг предпочтителен. Для сталей это соответствует нагреву до температуры выше критической точки Ас. -Однако с увеличением температуры резко увеличивается толщина слоя окалины и, кроме того, структура становится крупнозернистой, что не всегда допустимо. Поэтому наиболее распространен режим субкритического отжига стальных заготовок с нагревом до температуры несколько ниже критической точки Aci. Структура стали после такого отжига — мелкозернистый феррит с частично сферо-идизированным цементитом. Температурные режимы отжига заготовок из легированных сталей мало отличаются от режимов, применяемых для углеродистых сталей, но время выдержки при заданных температурах несколько больше, что связано с особенностями структурных превращений при наличии легирующих добавок.

После нагрева и выдержки, при температуре рекристаллизации стальные заготовки медленно охлаждают до температуры 300...250° С. Увеличение скорости" дальнейшего охлаждения существенно не влияет на механические свойства стали.

Иногда отжиг применяют и для готовых деталей, в целях снятия остаточных напряжений. Он обязателен, например, для деталей, отштампованных из латуней, так как остаточные напряжения вызывают у латуней с течением времени образование трещин (так называемая сезонная болезнь латуней).

Отжиг производится в индукционных печах с защитной или нейтральной атмосферой. Режим отжига устанавливается по диаграммам рекристаллизации и опытным данным, приводимым в специальной литературе и справочниках по термообработке.

Термообработка готовых деталей может также производиться в целях обеспечения требуемой структуры и необходимых механических свойств.

Очистка за готовок от окалины. Окалина на заготовках образуется при нагреве и охлаждении на открытом воздухе. Очистка заготовок от окалины может быть осуществлена механическими и химическими способами. К механическим способам относятся дробеструйная очистка, металлопескоструйная очистка, галтовка в барабанах. При массовом и крупносерийном производствах галтовка должна осуществляться в барабанах проходного типа. Химические способы очистки заключаются в обработке поверхности заготовок различными кислотами— травлении. Травление углеродистых сталей производится в концентрированной соляной кислоте при 20...30° С или в 20%-ном растворе серной кислоты при 60...80° С. Режимы травления приводятся в специальной литературе и справочниках.

Фосфатирование и смазка. При' формоизменяющих операциях необходимо предотвратить взаимный контакт между поверхностями деформируемой заготовки и инструмента, иначе произойдет налипание металла заготовки на инструмент и на поверхности детали появятся царапины. Коэффициент трения при этом резко увеличится, что повлечет рост усилия деформирования и нагрузки на инструмент и, как следствие, его поломку. Однако при высоких давлениях, характерных для большинства формоизменяющих операций! особенно при штамповке стальных деталей, смазка, не удерживается на поверхности заготовки и выдавливается. Поэтому стальные заготовки перед формоизменяющими операциями фосфатируют. На поверхности детали при фосфатировании образуется тонкий пористый слой, хорошо удерживающий смазку.

Перед фосфатированием стальные заготовки должны быть обезжирены. Ванна для обезжиривания имеет следующий состав (на 1 л воды в граммах):

Едкий натрий................... 100

Углекислый натрий................ 80

Тринатрийфосфат.................. 40

Жидкое стекло.................. 15

(температура 95° С, выдержка 10...15 мин)

Обезжиренные и промытые последовательно в проточной холодной и горячей воде заготовки погружают в ванну для фосфатирования следующего состава (на 1 л воды в граммах):

Окись цинка......................25,6

Фосфорная кислота................ . . . 26,7

Азотная кислота....................36,7

Углекислый натрий................ .... 4,68

Нитрат натрия.....................0,2

(температура 35—40°С, выдержка 20 мин)

Затем заготовки снова промывают в проточной холодной и горячей воде и погружают в ванну для смазки. В качестве смазки для фосфа-тированных стальных заготовок рекомендуется мыльный раствор (на один литр веды 60 г хозяйственного мыла). В этом растворе при температуре 50...70° С фосфатированные заготовки выдерживают 20 мин. После смазки заготовки обязательно должны быть просушены, так как сырая смазка плохо удерживается при выдавливании.

Применяют ванны и других составов, но эти вадны, как показала проверка, обеспечивают хорошие результаты.

Расход фосфатного покрытия (без воды) 25 г/м2.

В массовом и крупносерийном производствах для промывки, обезжиривания, фосфатирования и омыливания следует применять установки непрерывного действия.

Для цветных металлов и сплавов (медь, латунь, алюминий) в качестве смазки используют различные композиции на основе минеральных масел с добавками животных или растительных жиров, а иногда и твердых веществ (тальк, сульфид молибдена). Нанесение смазки осуществляется погружением, разбрызгиванием или в барабане.

Формоизменяющие операции. В зависимости от формы и размеров деталей холодная объемная штамповка может осуществляться в один или несколько переходов. Однооперационную штамповку обычно производят на механических или гидравлических прессах. Детали, требующие нескольких переходов, если позволяют размеры и форма и не нужны межоперационные отжиги, предпочтительно при массовом и крупносерийном производствах изготовлять на многопрзи-ционных прессах-автоматах. При этом следует иметь в виду, что штамповка на многопозиционных прессах-автоматах позволяет осуществлять многие переходы без промежуточных отжигов, для которых при раздельной штамповке на отдельных прессах потребовались бы отжиги. Это объясняется тем, что в течение весьма короткого промежутка времени, при котором на многопозиционных прессах-автоматах осуществляется передача заготовки с одной позиции на другую, в наклепанном материале заготовки не успевают произойти процессы деформационного старения и сопротивление деформации ниже, а штампуемость лучше, чем если бы осуществлялась раздельная штамповка на отдельных прессах без межоперационных отжигов. Чтобы избежать межоперационных отжигов и обеспечить этим возможность штамповки на многопозиционных прессах-автоматах, в ряде случаев оказывается целесообразным дробление (увеличение числа) технологических переходов, что уменьшит наклеп материала заготовки на каждом переходе и позволит обходиться без промежуточных отжигов. В табл. Х.1 и Х.2 даны клас-

сификации деталей, которые могут быть изготовлены на однопозиционных и многопозиционных прессах-автоматах для холодной объемной штамповки [37]. Многие из этих деталей (болты, заклепки, гайки) являются типичными деталями для цехов холодной высадки.

Для деталей, которые невозможно изготовлять на многопозиционных прессах-автоматах (например, по форме и размерам, или вследствие необходимости промежуточных отжигов), целесообразно создавать автоматизированные линии. Для надежной работы автоматизированных линий рекомендуется предусматривать магазины (накопители) для образования межоперационных заделов. В автоматизированные линии могут быть включены термические агрегаты для отжига и агрегаты •для фосфатирования и смазки непрерывного действия.

Автоматизированные линии могут включать обычные прессы, холодновысадочные автоматы и многопозиционные прессы-автоматы. Холодновысадочные автоматы и многопозиционные прессы-автоматы целесообразно ставить в начале линии, с тем чтобы на них производить отрезку заготовок и предварительные операции (холодновысадочный автомат) или отрезку заготовок, предварительные и часть основных формоизменяющих операций (многопозиционный пресс-автомат).

При реконструкции существующего цеха не всегда оказывается возможным или экономически эффективным даже при массовом и крупносерийном производствах заменять имеющиеся в цехе универсальные прессы многопозиционными прессами-автоматами. В этих случаях также целесообразно создавать автоматизированные линии холодной объемной штамповки. В серийном и мелкосерийном производствах следует применять универсальное оборудование (прессы).

Как уже указывалось, основным фактором, определяющим эффективность применения холодной объемной штамповки для изготовления, деталей, является стойкость инструмента. Поэтому при разработке технологического процесса надо применять такие операции холодной объемной штамповки, которые обеспечивают возможно более низкое давление на инструмент. В качестве примера можно привести изготовление полюса генератора для автомобиля (рис. X. 1) из низкоуглеродистой стали. Изготовление полюса генератора холодной контурной осадкой вместо прямого выдавливания позволило снизить давление на инструмент до 1500 МН/м2. Это объясняется тем, что при контурной осадке деформируется (осаживается) только фланец заготовки, центральная же часть (головка полюса) практически не деформируется и ее толщина остается почти равной толщине исходной заготовки, а при прямом выдавливании очаг деформации охватывает все поперечное сечение заготовки.

Во всех случаях, когда позволяет форма детали, следует выбирать комбинированное выдавливание вместо двух раздельных операций, из которых одно прямое, а другое — обратное выдавливание. При комбинированном выдавливании давление на инструмент ниже, чем при прямом и обратном, так как металл течет в обоих направлениях и, следовательно, сопротивление деформации ниже.

При изготовлении холодной объемной штамповкой относительно тонких деталей, например, типа турбинных лопаток, снижение усилия, а следовательно, и давления на инструмент могут дать различные способы импульсного нагружения.

В последнее время в практику холодной объемной штамповки стало внедряться прессование жидкостью высокого давления, которое позволяет получать профили и детали сложной конфигурации из малопластичных материалов. При прессовании жидкостью, вследствие уменьшения сил трения и более равномерного распределения напряжений, удельные усилия гораздо ниже, чем при обычном выдавливании, а потому инструмент более стоек. При изготовлении отдельных деталей могут также применяться радиальное (ротационное) обжатие, раскатка и обкатка роликами и шарами. В литературе приводятся различные способы холодной объемной штамповки, позволяющие снижать удельное усилие.

Чтобы обеспечить возможность перевода изготовления деталей с обработки резанием на холодную объемную штамповку, во многих случаях приходится вносить некоторые изменения в форму и размеры детали, не ухудшающие ее качества и не влияющие на ее служебное назначение. Например/для возможности изготовления тарелки пружины клапана автомобильного двигателя прямым выдавливанием (рис. Х.2, а) ее наружный диаметр был уменьшен с 32 до 30,5 мм, а радиусы скруглений увеличены до 1 и 1,5 мм. Это облегчило течение металла и снизило давление- на инструмент до 1400 МН/м2. В качестве заготовки использовалась кольцевая заготовка, полученная на гайковысадочном автомате из бунтовой стали марки 10, диаметром 14 мм (рис. Х.2, б).

В связи с тем, что решающим фактором, позволяющим .судить о технической возможности изготовления деталей холодной объемной штамповкой в производственном масштабе, является стойкость инструмента, в случаях, когда давления на инструмент близки к предельно допустимым, усилия и удельные усилия следует подсчитывать не .по упрощенным формулам, взятым из справочников, а по возможно более точным, хотя и громоздким формулам, которые приводятся в журнальных статьях, сборниках, отдельных монографиях.

Окончательная механическая обработка. Детали, полученные холодной объемной штамповкой, при необходимости окончательно обрабатываются на металлорежущих станках. Съем металла при доработке невелик. При разработке технологического процесса штамповки деталей, требующих доделочных механических операций, необходимо на этих деталях предусматривать образование технологической базы для удобства фиксации на металлорежущем станке.

В массовом и крупносерийном производствах механическая обработка отштампованных деталей, включая подачу и съем с металлорежущих станков, должны быть автоматизированы. Весьма целесообразно применение при этом специализированных металлорежущих станков, например токарных станков с зажимом посередине детали, обеспечивающих одновременную обработку обоих концов детали.