6. Расчет технологических параметров объемной штамповки детали

6.1. Цель работы

Закрепить теоретические знания, полученные на лекциях, по разделу горячей объемной штамповки путем составления технологического процесса изготовления детали, выбора температуры нагрева заготовки, расчета параметров процесса деформирования заготовки на прессе и на молоте.

6.2. Введение

Сущность процесса горячей объемной штамповки состоит в формообразовании заготовки или детали посредством принудительного объемно-пластического перераспределения металла в рабочей плоскости инструмента (штампа).

Горячая объемная штамповка является высокопроизводительным и дешевым процессом серийного изготовления деталей (поковок). Штамповкой изготавливаются такие ответственные детали, как коленчатые валы двигателей, валики, втулки различных типов, шестерни, клапаны и др.

Горячая штамповка позволяет осуществлять сложные деформации и выгодно влияет на формирование структуры металла, благодаря чему механические свойства штампованных деталей в целом ряде случаев выше, чем деталей, изготовленным другими способами обработки, например резанием.

Изготовление поковок методом горячей объемной штамповки пооперационно производится в следующем порядке: резка заготовок, нагрев, штамповка, отжиг, обрезка облоя. Резка заготовок производится на специальных пилах. Нагрев заготовок осуществляется в печах, индукционным или электроконтактным способом. Цель нагрева заготовки заключается в увеличении пластичности металла, снижение усилия деформирования. Для каждого интервала определена область нагрева перед проведением штамповки. Это область характеризуется верхним и нижним пределом. Выбор температуры горячего деформирования углеродистых сталей производится по диаграмме состояния "железо - углерод" (рис.1). В общем случае верхний предел темпе-

ратурного интервала горячей обработки давлением низко- и среднеуглеро-

дистых сталей составляет 1200°С, высокоуглеродистых -1100°С. Нижний предел температурного интервала обработки давлением отмеченных сталей равен 800...850°С.

Примерные температуры горячей обработки давлением некоторых алюминиевых, магниевых и титановых сплавов приведены в табл.1.

Штамповка может производиться в открытых штампах, когда на рабочей полости облой (избыточный металл) имеет выход в облойную канавку, расположенную по периметру ручья штампа, а также в закрытых штампах (безоблойная штамповка) (pиc.2, 3). Закрытым называют штамп, плоскость

которого не имеет выхода для избытка металла (рис.3).

Рис.1. Выбор температурного интервала ковки, штамповки стали

Таблица 1

Режимы горячей обработки давлением

Виды сплавов	Температура, °С
	Начало обработки	Конец обработки
Титановые: ВТ1, ВТ4, ВТ6, ВТ8	1150…1100	800…750
Алюминиевые: Д1, Д16, АК4	470	350
Магниевые: МА1, МА2	430	350

В отличие от открытых штампов, имеющих поверхность разъема в виде плоскости, закрытые штампы имеют разъем по сложной поверхности. Безоблойная штамповка обеспечивает существенное снижение расхода материалов.

Штампы изготавливают из легированных сталей 5ХНМ, 4ХВ2С, 7X3, 4X5МФС, 4X2В5МФ и др.

Рис 3. Штамповка в закрытом штампе (безоблойная штамповка)

Для обрезки облоя применяют специальные обрезные штампы. С целью улучшения обрабатываемости резанием после горячей объемной штамповки производится отжиг.

6.3. Задание

Разработать технологический процесс (перечислить последовательность основных операций) штамповки контрольной детали в открытом штампе согласно заданному чертежу. Рассчитать параметры процесса штамповки на прессе и на молоте (см. приложение).

Рис.4. Чертеж детали

Рис.5. Чертеж заготовки

6.4 .Методические указания

Указания даны на примере разработки технологического процесса штамповки зубчатого колеса.

6.4.1. Зарисовать чертеж детали с точным указанием всех размеров, марки материала и других данных в соответствии с индивидуальным заданием (рис.4).

6.4.2. Coставить чертеж поковки на основании чертежа детали с определением припуска на металлическую обработку (табл.2), допуска на штамповку (табл.3, 4 ), штамповочных уклонов (рис.5, табл.5), радиусов закругления (рис.6, табл.6).

Припуск на механическую обработку поковки или ее отдельных частей предусматривается в том случае, если чистота поверхности и точность размеров не удовлетворяют требованиям, предъявленным к готовой детали.

Штамповочные уклоны предусматриваются для облегчения извлечения поковки из штампа. Переходные закругления в местах сопряжения двух поверхностей позволяют облегчить течение металла в штамповке, способствуют повышению стойкости штампа.

Поковка вычерчивается в том положении, которое она занимает в штампе (рис.5). Конфигурация и расположение поковки в штампе должны обеспечить разъем верхней и нижней половинок штампа, а также возможность извлечения поковки из обеих частей окончательного ручья штампа.

В большинстве случаев разъем располагают в плоскости двух наибольших взаимно перпендикулярных размеров поковки. От этого правила отступают, если при ином расположении плоскости разъема достигается значительное снижение веса поковки, уменьшается масса облоя.

6.4.3. Рассчитать потребное усилие деформирования заготовки на прессе.

Потребное усилие деформирования заготовки на прессе определяется по формуле

P = Z·m·F·k ,

где P − потребное усилие деформирования, Н;

Z − коэффициент, учитывающий условия деформирования, определяется по табл.7;

m − коэффициент, учитывающий влияние деформированного объема, определяется по табл.8;

F − площадь проекции штампуемой поковки (без учета облоя) перпендикулярно направлению действующей силы, м²;

К − удельное давление, соответствующее конечным условиям деформирования, Н/м² , определяется по табл.9.

6.4.4. Рассчитать вес падающих частей при получении заготовки на молоте.

Вес падающих частей молота определяется по формуле

G = α·β·F

где G − вес падающих частей молота, Н;

Таблица 2

Припуски на механическую обработку штампованных заготовок из стали, алюминиевых, магниевых, медных и титановых сплавов (в мм на сторону)

Наибольший габаритный размер поковки, мм	Материал поковки
	Сталь и титановые сплавы			Алюминиевые, магниевые и медные сплавы
	Чистота поверхности, Ra
	3,2	1,6	0,8	3,2	1,6	0,8
До 40	1,00	1,50	1,75	0,80	1,25	1,50
40-60	1,75	1,75	2,00	1,00	1,50	1,75
60-100	1,50	2,00	2,25	1,25	1,75	2,00
100-160	1,75	2,25	2,50	1,50	2,00	2,25
160-250	2,0	2,50	2,75	2,75	2,25	2,50
250-360	2,25	2,75	3,25	2,00	2,50	3,00
360-500	2,50	3,00	3,50	2,25	2,75	3,25
500-630	2,75	3,25	3,75	2,50	3,00	3,50
6300-800	3,00	3,75	4,25	2,75	3,50	4,00
800-1000	3,50	4,50	5,00	3,00	4,00	4,50
1000-1250	4,00	5,00	5,50	3,50	4,50	5,00
1250-1600	4,50	5,50	4,00	4,00	5,00	5,50
1600-2000	5,25	6,25	7,00	4,50	5,50	4,25
2000-2500	6,00	7,00	7,75	5,25	6,25	7,00
2500-3100	7,00	8,00	9,00	6,00	7,00	8,00
3100-4000	8,00	9,00	10,00	7,00	8,00	9,00
4000-5000	9,00	10,00	11,00	8,00	9,00	10,00
5000-6300	10,00	11,00	12,00	9,00	10,00	11,00
6300-8000	11,00	12,00	13,00	10,00	11,00	12,00

Площадь проекции детали на плоскость разъема штампа, см2	Классы точности
	4	5	6
	Отклонения размера, мм
До 60	+0,5 -0,2	+0,6 -2,4	+1,2 -0,5
80-160	+0,6 -0,3	+0,8 -0,5	+1,5 -0,6
160-320	+0,6 -0,4	+1,5 -0,6	+2,0 -0,6
320-480	+1,0 -0,8	+1,5 -0,6	+2,5 -0,8
480-800	+1,2 -0,6	+1,8 -0,7	+3,0 -1,0
800-1250	+1,4 -0,7	+2,1 -0,8	+3,5 -1,2
1250-1700	+1,6 -0,8	+2,4 -1,0	+4,0 -1,5
1700-2240	+1,8 -0,9	+3,2 -1,4	+5,0 -2,0
2240-3000	+2,1 -1,0	+3,2 -0,4	+5,0 -2,0
3000-4000	+2,4 -1,2	+3,6 -1,4	+5,5 -2,5
4000-5000	+2,7 -1,3	+4,0 -1,8	+6,0 -3,0

Таблица 3

Допуски на вертикальные размеры (перпендикулярныеплоскостиразъема)

Таблица 4

Допуски на горизонтальные размеры

(параллельные плоскости разъема)

Размеры детали, мм	Классы точности
	4	5	6
	Отклонения размера, мм
До 60	+0,6 -0,1	+0,6 -0,4	+1,0 -0,5
60-100	+0,8 -0,4	+0,6 -0,4	+1,8 -0,8
100-160	+1,0 -0,6	+1,2 -0,8	+1,5 -1,0
160-250	+1,2 -0,8	+1,5 -1,0	+2,0 -1,0
250-360	+1,5 -1,0	+1,8 -1,2	+2,5 -1,5
360-500	+1,8 -1,2	+2,0 -1,5	+3,0 -2,0
500-630	+2,1 -1,4	+2,4 -1,8	+3,5 -2,2
630-800	+2,4 -1,5	+2,0 -2,0	+4,0 -2,5
800-1000	+2,7 -1,0	+3,0 -2,4	+4,5 -3,0
1000-1250	+3,0 -2,0	+3,5 -2,8	+5,0 -3,5
1250-1600	+3,3 -2,3	+4,0 -3,2	+5,5 -4,0
1600-2000	+3,6 -2,6	+4,5 -3,2	+6,0 -4,5
2000-2500	+4,0 -3,0	+5,0 -4,0	+6,5 -5,0

Таблица 5

Значение уклонов наружных (α) и внутренних (β) для деталей из стали и легких сплавов

Материал детали	Уклоны
	Наружный (α), град	Внутренний (β), град
Сталь	5-10	7-12
Легкие сплавы	5-7	5-10

Таблица 6

Радиусы сопряжений R, закруглений R₁ и R₃

Высота ребра h ,мм	R, мм	R1, R3, мм
До 5	3	1.5
5-10	4	1.5
10-15	5	2.5
15-25	8	2.5
25-35	10	3.0
35-50	12.5	4.0
50-71	15	5.5
71-100	20	7.0

α − коэффициент, учитывающий сложность штампуемой заготовки, определяется по табл. 10;

β − коэффициент, учитывающий сопротивление металла деформированию, определяется по табл. 11;

F – плоскость проекции штампованной поковки на плоскость разъема штампа (без учета облоя), м².

6.4.5. Рассчитать потребное усилие пресса для обрезки облоя. Потребное усилие пресса для обрезки облоя определяется по формуле

P = K σ_ср F_ср ,

где P - усилие пресса для обрезки облоя, Н;

К – коэффициент, учитывающий притупление режущих кромок,

К = 1,7;

σ_ср - предел прочности материала поковки на срез, Н/м²,

σ_СР = 0,8 σ_В, где σ_В - предел прочности металла в Н/м²,

значение σ_{В ,} выбирается в табл. 12;

F_ср - площадь среза облоя, м².

F_ср = L·h,

где L - периметр обрабатываемого облоя,

h - толщина облоя, h = 3...4 мм.

6.4.6. Дать краткое описание технологического процесса изготовления контрольной детали с указанием температуры нагрева заготовки перед деформированием (перечислить последовательность основных необходимых операций).

6.5. План отчета

1. Цель работы.

2. Индивидуальное задание.

3. Краткая технология изготовления детали.

4. Расчет чертежа поковки.

5. Определение потребного усилия деформирования поковки на прессе.

6. Определение веса падающих частей при штамповке на молоте.

7. Определение усилия пресса для обрезки облоя.

8. Выводы.

Таблица 7

Коэффициент, учитывающий условия деформирования

Условия деформирования	Коэффициент Z
Свободная ковка	1
Штамповка заготовок простой конфигурации	1,5
Штамповка заготовок сложной конфигурации	1,8

Таблица 8

Коэффициент, учитывающий влияние деформируемого объема

Объем штампуемой заготовки, см3	Коэффициент m
до 25	1
25-100	1 - 0,9
100-1000	0,9 - 0,8
1000-5000	0,8 - 0,7
5000-10000	0,7 - 0,6
10000-15000	0,6 - 0,5
15000-25000	0,5 - 0,4
свыше 25000	0,4

Материал	Удельное давление К, кгс/см 2
Конструкционная сталь	6000
Алюминиевые сплавы	5000
Магнитные сплавы	3000
Титановые сплавы	5000

Таблица 9

Удельное давление, соответствующее конечным условиям деформирования

Таблица 10

Коэффициент, учитывающий сложность штампуемой заготовки

Характеристики штампуемых заготовок	Коэффициент α
Заготовка сложной конфигурации с тонкими и широкими полотнами	0,1
Заготовка средней сложности	0,09
Заготовки	0,07

Таблица 11

Коэффициент, учитывающий сопротивление металла деформированию

Материал	Коэффициент β
Конструкционная сталь	1,0
Нержавеющие стали	1,5
Алюминиевые сплавы	0,8
Магниевые сплавы	0,6
Жаропрочные сплавы	2,0
Медные сплавы (бронзы, латуни)	0,5
Титановые сплавы	0,8

Таблица 12

Механические свойства некоторых сплавов,

применяемых для штамповки

Название сплавов	Механические свойства
	Предел прочности σв, кгс/мм2	Относительное удельное δ, %
Сталь 10	36 - 45	32
Сталь 45	64 – 76	17
Сталь 70	78 – 90	10
Дуралюмины Д1, Д16	35 – 42	12
Магнитные сплавы МА1,МА	20 – 30	10
Титановый сплав ВТ1	30	20

6.6. Литература

1. Технология конструкционных материалов / Под. ред. А.М. Дальского. - М.: Машиностроение, 1986.

2. Семенов Е.И. Ковка и объемная штамповка. - М.; Высшая школа, I972.