Проектирование штампов для горячей штамповки

Горячая объемная штамповка и сущность процесса — разъясняем тщательно

Объемной штамповкой называется процесс обработки металлов при помощи давления в разных плоскостях. Первоначальные размеры и форма материала деформируются, что позволяет придать заготовке нужную конфигурацию согласно чертежу. Для изменения геометрических параметров металлической заготовки в нескольких плоскостях, требуется ее нагрев. Такая технологическая операция называется горячая объемная штамповка (ГОШ).

Технологический процесс

Сущность процесса горячей штамповки металла состоит в следующем: на нагретую до необходимой температуры заготовку воздействуют приложением максимальной силы. Проводится он при помощи специального инструмента – штампа.

Штамп пробивной для горячей штамповки

Штамп представляет собой массивную толстостенную деталь. При каждом переходе формообразование заготовки осуществляется рабочей замкнутой полостью штампа – ручьем (гравюрой). Имеющиеся в определенных зонах штампа выступы и полости могут ограничивать течение нагретого металла.

Изготовление деталей методом горячей штамповки выполняется на металлических заготовках разного профиля:

  • круглого;
  • квадратного;
  • периодического;
  • либо могут использоваться металлические прутки.

Сначала части прутка задаются геометрические параметры, формируется поковка с последующим ее отделением.Чаще всего для горячей штамповки используется вариант нарезки заготовок. Выполняется он из металлического прутка.

Металлический прут для горячей штамповки

Преимуществом технологии обработки металла путем горячей штамповки является уменьшение его отходов, повышение производительности труда, изготовление изделий сложной конфигурации. Изделия, которые получили методом ГОШ, легко отличить по высокой точности размеров и качеству поверхности.

Проектирование технологического процесса горячей штамповки определяется следующей последовательностью:

  • выбирается метод изготовления изделия (на штампах с закрытым или открытым ручьем);
  • разрабатывается детальный чертеж;
  • устанавливается количество переходов от заготовки до готового изделия;
  • разрабатывается индивидуальный чертеж каждого перехода;
  • формируются штампы для каждого этапа производства в соответствии с требуемой мощностью;
  • выбирается способ нагрева и его режим для металлической заготовки;
  • определяется перечень конечных манипуляций поковки исходя из требуемого качества готового изделия.

Финишным этапом является расчет технико-экономических показателей технологического процесса.

В каких областях промышленности технология нашла применение?

Горячая объемная штамповка ‒ вид обработки металлозаготовок с помощью давления, который подразумевает использование специального инструмента, штампа, для формообразования поковки из разогретой заготовки.

Поверхности полостей и выступов отдельных частей штампа при этом ограничивают течение металла, поэтому в итоге операции происходит образование единственной замкнутой полости по конфигурации поковки. Такую полость называют ручьем.

Для данного вида обработки необходимы специальные штамповочные заготовки. Их изготавливают с применением проката профилей разных форм путем разрезания прутков на отдельные изделия кривошипными пресс-ножницами, механическими пилами, газовой резкой и т.п.

виды штамповки

Горячая объемная штамповка.

Достоинства такой технологии при сравнении с ковкой заключается в следующем:

  • высокие показатели производительности;
  • более высокая точность изготовления деталей: допуски при штамповании поковок в 3 раза меньше, нежели при ковке.

Основными недостатками технологии являются дороговизна инструмента и его узкая направленность: конкретный штамповочный станок подходит для создания поковки одной формы и размера.

Помимо этого, для осуществления объемной горячей штамповки поковок потребуется в несколько раз больше усилий деформирования, нежели для ковки аналогичных поковок.

На заметку! Крупными называют поковки с массой в несколько сот килограммов, но они используются в редких случаях. Еще реже можно встретить изделия с массой 2-3 тонны. Наиболее распространенные формы имеют массу от 20 до 30 кг.

Технология активно применяется на производственных предприятиях металлообрабатывающей промышленности, которые имеют дело с алюминиевыми сплавами, латунью.

С помощью горячей штамповки прессом изготовляются заготовки для деталей легковых автомобилей, тракторов и других видов сельскохозяйственных машин, самолетов, железнодорожных вагонов, станков и т.п.

С учетом тенденции к росту серийности в машиностроении штамповка в будущем приобретет еще большую популярность и развитие.

Особенности технологии холодного штампования

Технология штамповки холодным способом подразумевает обработку заготовок с изменением их формы и размеров, но с сохранением других геометрических характеристик.

В качестве сырья для получения необходимых изделий используются полосы, лента или листы, полученные из легированных низкоуглеродистых сталей. Могут применяться сплавы алюминия, меди, латуни, магниевые, титановые или другие высокопластичные составы. Это связано с тем, что такие материалы легко поддаются деформации.

Значение допуска, мм, при работе штампа

Перечень выполняемых операций во время штампования

В процессе холодной штамповки металла выполняются различные операции, которые помогают придать изделию требуемых характеристик. Они могут быть разделительными и формоизменяющими. В первом случае поверхность материала частично отделяют по указанному контуру. К разделительным операциям относят:

  • резка. Отделение части заготовки по прямой или фигурной линии при помощи пресса в виде ножниц;
  • пробивка. Выполняется для создания в детали отверстия необходимой формы и размера;
  • вырубка. Готовая деталь имеет вид замкнутого контура.

Классификация основных операций штамповки

Формоизменяющие операции при штамповке подразумевают изменение формы или размеров заготовки из листового металла путем перемещения ее частей определенным способом. При этом не происходит физическое разрушение детали. К самым распространенным формоизменяющим операциям относят:

  • вытяжка. Относится к объемной штамповке, при помощи которой получают полые детали разной формы (конуса, цилиндра, полусферы, куба);
  • гибка. С помощью такой штамповки изгибу листового материала придается практически любая форма;
  • рельефная формовка. Подразумевает локальные изменения при сохранении конфигурации самой заготовки;
  • холодная высадка. Позволяет получить деталь нужной длины с увеличением ее диаметра.

Возможно штампование комбинированным способом, подразумевающим разделение и формообразование детали.

Дополнительные операции, выполняемые в процессе штампования

Отжиг стали для штамповки

В процессе холодной штамповки металла его могут подвергать некоторым вспомогательным операциям, позволяющим повысить эксплуатационные качества полученных изделий. К таким относят отжиг и травление. С их помощью улучшаются механические характеристики, и увеличивается срок службы деталей.

Для улучшения износостойкости металла его обрабатывают специальными защитными покрытиями.

При объемной штамповке выполняется перечень операций, позволяющих улучшить механические характеристики изделий из металла:

  • предварительная термическая обработка металла для снижения его прочности;
  • подготовка поверхности к основным работам;
  • непосредственно обработка металла.

Штамповочные ручьи

При обработке предварительно нагретых изделий из стали, как и при горячей штамповке латуни, применяют штамповочные ручьи, которые могут быть:

  • протяжными (с их помощью увеличивают длину отдельных участков обрабатываемых деталей: по той части заготовки, которую необходимо удлинить, наносятся частые, но несильные удары, одновременно выполняется кантование обрабатываемой детали);
  • заготовительными (их целью является фасонирование обрабатываемой заготовки: металл перераспределяется в ее общем объеме для того, чтобы придать готовому изделию такую форму, которая обеспечивает минимальный отход материала);
  • пережимными (их выполняют для уменьшения высоты отдельного участка заготовки с одновременным увеличением его ширины);
  • подкатными (ручьи, в которых металл заготовки равномерно распределяется по ее оси, при этом увеличивается диаметр отдельных ее участков);
  • гибочными (в них заготовка поступает с изогнутой осью, формируется поковка, угол изгиба которой составляет 90°).

Этапы сложной штамповки в нескольких ручьях

Этапы сложной штамповки в нескольких ручьях

К штамповочным ручьям, в которых изготовляемый элемент приобретает требуемую форму, относятся:

  • предварительные, или черновые, в которых форма обрабатываемой заготовки максимально приближается к конфигурации поковки (особенности такого ручья, который может и не использоваться при выполнении горячей штамповки, заключаются в том, что он имеет несколько увеличенную глубину, также в нем, по сравнению с параметрами чистового изделия, увеличены уклоны и радиусы скругления);
  • чистовые, в которых деталь приобретает конечную форму, но ее размеры увеличены на величину усадки металла при его остывании (поскольку в таких ручьях на заготовку необходимо оказывать максимальные усилия, располагают их в центральной части штампа).

Разновидности объемной штамповки

Существуют разные виды объемной штамповки: холодная и горячая. Первая технология менее распространена, нежели горячая, так как для нее не требуется очень мощное оборудование.

Помимо этого, стоит отметить склонность большинства сталей и сплавов поддаваться обработке именно в горячем состоянии. Поэтому именно горячий вид штамповки и ковки предпочтителен для множества предприятий металлургической отрасли, которые предполагают изготовление изделий из листов металла.

Но и свои достоинства у холодной технологии создания поковок из металла присутствуют:

  • в процессе работы не происходит нагревание металла;
  • металлическая поверхность не окисляется при контакте с кислородом;
  • можно изготовить изделия с более точными параметрами;
  • низкие показатели шероховатости металлической поверхности;
  • низкий расход металла;
  • низкая трудоемкость производства изделий.

Отметим! При холодной объемной штамповке изделиям не нужна финишная обработка.

Горячий метод штамповки поковок отличается:

  • высокими показателями производительности;
  • отменной однородностью и прочностью готовых поковок;
  • возможностью получения поковки сложной формы;
  • высокой автоматизации рабочих процессов.

Различают разные способы горячей объемной штамповки, в зависимости от типа примененных штампов:

  • открытая;
  • закрытая;
  • выдавливанием;
  • прошивкой;
  • в разъемных матрицах.

Именно такая классификация считается основной, потому что тип использованного в работе штампа является определяющим фактором для характера течения металла при формообразовании поковки.

Благодаря использованию технологии обработки металлов данным методом можно изготовить разнообразные по геометрическим параметрам поковки:

  1. Детали удлиненной формы: рычаги, шатуны. Для их производства потребуется штамповочный пресс.
    Исходную заготовку поддают протягиванию и обрабатывают плашмя. В конце работы деталь фасонируют при помощи ковки.
  2. Дисковые детали квадратной, круглой формы и небольшой длины: ступицы, шестеренки, фланцы, крышки.
    Изготавливаются с помощью технологии осадки в торец заготовки. А их использование осуществляется с применением штамповочных переходов.

Путем штамповки крайне сложно изготовить абсолютно точные по размеру поковки, по этой причине существует такое понятие как допуски. Они учитывают недоштамповку изделия по высоте, износ ручья штампов, риск сдвига штампов в процессе использования и т.п.

Если допуски обуславливают чистоту поверхности и точность поковки, что удовлетворяет общим требованиям к конечным результатам работы, то в дальнейшем иных припусков не предполагают.

Если же предполагаемые заранее допуски или чистота поверхности металла на деле оказались неудовлетворительными, стоит рассмотреть возможность получения более точных параметров поковок путем калибровки, чеканки, улучшения качества самого процесса и нагрева.

Если же это решение не позволяет решить вопрос, то назначаются припуски для последующей обработке путем резки.

Пуансон – неотъемлемая часть обрезного штампа

Большое значение для быстрой и максимально полной обрезки облоя имеет не только режущая кромка матрицы, но и пуансон, который может быть как давящим, так и режущим. Пуансоны второго типа распространены значительно меньше и используются только с поковками малой толщины (до 2 мм).

Как и матрица, пуансон изготавливается под конкретную поковку, воздействуя на ее наиболее механически прочные участки. При неправильном проектировании пуансона он может повредить изделие, вызвав его значительную деформацию. Конечная доводка пуансона производится слесарным способом. Эталоном для нее служит деталь или контрольная отливка. Подгонка под матрицу производится аналогичным образом, с соблюдением предусмотренных технологией зазоров.

Существуют также комбинированные пуансоны, которые одновременно проталкивают деталь через кромку матрицы и выдавливают перемычки. Расчет таких пуансонов особенно сложен. Крепление пуансона выполняется двумя способами – прямо на прессовом ползуне или на переходнике. Первое предпочтительнее при работе с заготовками большого размера, второе – со средними и мелкими.

Преимущества и недостатки процесса

Горячая штамповка имеет некоторые преимущества и недостатки относительно ковки.

Горячая штамповка металла

  • высокая производительность превышает ковку в сотни раз;
  • выпуск готовых изделий сложной конфигурации;
  • относительная простота работы специалиста и его более быстрое обучение необходимым навыкам;
  • меньшее количество допусков и припусков, так как механической обработке подвергаются лишь соприкасающиеся поверхности деталей, а остальные поверхности имеют удовлетворительные геометрические параметры и шероховатость. После калибровки допуски составляют всего 0,05 мм.
  • масса готового изделия не превышает 3,5 тонны;
  • высокая стоимость специального инструмента штампа в отличие от ковочного инструмента. Штамп производят на основе высококачественной стали, используется исключительно для определенного размера поковки;
  • необходимость использования более мощного оборудования в связи с деформацией всей заготовки, а не ее части, что требует увеличения силы воздействия. А также стенки полости штампа испытывают давление при течении металла, что сказывается на его износостойкости.

О схемах штампов

► В производственном процессе применяются две схемы горячего штампования:

  1. Закрытого типа – по заданной технологии между частями штампа неподвижной и подвижной просвечиваются небольшие зазоры минимальны. Для исполнения изделий применяются прессы с выступом наверху рабочего инструмента, а внизу размещена полость. Или, напротив, на молотах при выступе снизу, в полости в верхней части используемого инструмента. Этот способ применяется, когда объемы готового изделия и поковки соответствуют по параметрам. Штампы этой разновидности имеют одновременно две полости для разъема, расположенные под углом 900, относительно друг друга.
  2. Открытого типа – принцип их работы основан на том, что между неподвижной и подвижной частями обеспечивается зазор, в который выливается лишний металл. Их можно применять для поковок любого размера.

► Преимущества производства с использованием открытых типом штампов:

  • Безупречное качество поверхности.
  • Однородная структура материала.
  • Экономия металла.
  • Возможность применения материалов с невысокими показателями пластичности, так как воздействует высокое напряжение и обеспечивается неравномерность при сжатии.

Оборудование для холодного штампования

Холодное штампование металла осуществляется при помощи специального оборудования. Для обработки деталей применяется штамповочный пресс, который может быть механическим (эксцентриковые, с кривошипно-шатунным механизмом) или гидравлическим.

Особенности устройства и работы пресса кривошипного типа

Общий вид кривошипного пресса

Листовая штамповка, подразумевающая вырубку, вытяжку, пробивку металла, проводится на прессах кривошипного типа. Он имеет электрический привод.

Основным действующим элементом пресса является кривошипный вал. Он движется за счет передачи вращения от маховика электродвигателя через зубчатый механизм. В результате ползун кривошипа осуществляет возвратно-поступательные действия, что запускает штампование.

Основные узлы кривошипного пресса изготовляются из высокопрочной стали. Они дополнительно укрепляются, что придает оборудованию повышенную жесткость.

Устройство гидравлического пресса

Гидравлические прессы преимущественно используются для проведения объемной штамповки методом продавливания.

Устройство гидравлического пресса

Принцип действия такого оборудования довольно прост:

  • работа пресса обеспечивается давлением жидкости, которая размещается в двух специальных емкостях с поршнями;
  • резервуары соединены между собой при помощи трубки;
  • давление, возникающее в процессе ее передвижения жидкости по емкостям пресса, передается на ползун;
  • за счет смещения ползуна осуществляется холодное штампование.

2 Какими бывают штамповочные ручьи?

Для ГОШ применяются следующие виды ручьев:

  • протяжные: дают возможность увеличить протяженность отдельных зон заготовок (добиваются этого снижением площади их сечения посредством слабых частых ударов с одновременным кантованием);
  • заготовительные: с их помощью в штампах производится фасонирование, под которым понимают перераспределение в заготовке металла, позволяющее получить такую форму, которая бы обеспечила небольшое количество отходов материала;
  • пережимные: позволяют за несколько ударов снизить в местах, где требуется уширение, вертикальную величину заготовки;
  • подкатные: применяются для одинакового распределения металла в поковке и вдоль оси заготовки за счет увеличения (местного) диаметра последней;
  • гибочные: используются в тех случаях, когда поковка характеризуется осью изогнутого вида, из такого ручья поковка поступает в следующую зону обработки с 90-градусным поворотом.

Непосредственно же к штамповочным относят следующие типы ручьев:

  1. Предварительный (у профессионалов он именуется черновым). Ручей необходим для того, чтобы поковки и заготовки сложной формы были максимально идентичны друг другу. Он описывается меньшими поперечными параметрами, немного большей глубиной, увеличенными уклонами и радиусами скругления по сравнению с чистовым ручьем. Предварительного ручья может и не быть.
  2. Чистовой. Он дает возможность получить готовую горячую поковку, которая по своим размерам крупнее на показатель усадки холодной поковки. В чистовом ручье в процессе ГОШ отмечаются максимальные усилия, поэтому он находится в центре штампа.

Как происходит изготовление штампов для проведения холодной штамповки?

Технология холодной листовой штамповки

Штампом называют специфический вид оснастки, которая активно используется в процессе листовой штамповки. Он непосредственно воздействует на материал, деформируя его. После обработки металл приобретает такую же форму, какая характерна для рабочей части штампа. Данный инструмент устанавливается на специальные молоты и прессы, приводящие его в действие.

Штамп состоит из двух частей – матрицы и пуансона. Последний элемент закрепляется на специальном ползуне, за счет которого осуществляется движение инструмента. Деформация металла происходит в момент прижимания пуансона к матрице.

Этапы производства штампов для холодного штампования

К процессу создания эскизов штампов и их непосредственному изготовлению предъявляются высокие требования. От качества полученной оснастки зависит правильность формировки самых изделий и их качество. Обычно изготовление штампов происходит в такой последовательности:

Холодная объемная штамповка

  1. Составляется эскиз штампа с учетом всех представленных требований.
  2. При помощи специальной компьютерной программы создается схема штампа.
  3. Определяется рациональность полученного оснащения, при необходимости проводится корректировка эскиза.
  4. Определяются места, где в дальнейшем будут сформированы отверстия необходимого размера и формы.
  5. После согласования чертежей непосредственно приступают к изготовлению штампа.

Заготовки, изготовленные из металла, будут правильно обработаны методом холодного штампования, если эффективно подобрать все оснащение. Штампы – это один из главных элементов, влияющих на качество проведенных работ. При их изготовлении используется современное оборудование с ЧПУ, что позволяет осуществить необходимый контроль качества.

Видео: Листовая штамповка

Безоблойное производство поковок

Закрытые штампы не имеют зазоров – гравюры штампа соединяются плотно, исключая всякую возможность выпустить излишки металла. Это означает, что заготовка должна быть рассчитана максимально точно, поскольку в противном случае штамп просто не закроется. Точность в безоблойной штамповке играет очень важную роль!

Механические и термические нагрузки на штампы, применяемые в безоблойной штамповке, крайне высоки. Именно поэтому срок службы закрытых штампов составляет порядка 5000 поковок. Введение в состав штамповой стали легирующих металлов и применение к только что отлитым штампам приемов термического упрочнения позволяет несколько увеличить их эксплуатационный ресурс, но неизбежно повышает и цену.

Чтобы снизить износ безоблойных штампов, изготовление деталей в них принято разделять на две стадии:

  • предварительную;
  • окончательную.

Первая выполняется на предварительном штампе, имеющем более грубый рельеф. Он сообщает заготовке базовые параметры ее размеров и принимает на себя основной износ. Окончательные безоблойные штампы имеют более сложный рельеф – они завершают деформационные превращения заготовки, обрабатывая ее с высокой точностью.

О работе механизмов

► Кривошипно – шатунные прессы. Принцип действия его заключается во вращении привода, который, в свою очередь, преобразует движение в возвратно-поступательное на установленном ползуне. Детали технического устройства выполняются из стали прочной структуры с ребрами жесткости.

С помощью технического устройства можно выполнять следующие технологические решения:

  1. Производство штампованных деталей при открытых или закрытых матрицах.
  2. Исполнение заусенца.
  3. Выдавливание заготовок.
  4. Прошивку.
  5. Обработку одновременно несколькими способами.

Под воздействием одной ударной нагрузки механические прессы производят работу, но при ударе меньшей силой от гидравлического пресса получается лучшие эффект. В связи с этим гидравлику используют для крупногабаритных и толстостенных деталей.

► Гидравлические прессы. Завод – изготовитель выпускает оборудование для ковки, создания продавливающих усилий и проштамповывания поверхности. Переработка металлических отходов с их помощью тоже результативна. Принцип действия заключается в увеличении силы давления на изделие в несколько раз.

Выглядит пресс следующим образом: это два цилиндра, заполненные водой и между ними расположена труба. В каждом цилиндре находятся поршни, а основа принципа работы заложена на законе Паскаля.

► Радиально-ковочные механизмы. Заготовка располагается в модуле, в котором осуществляется нагрев по принципу индукции. После того как материал становиться мягким она подается на захват через конвейерный механизм непосредственно в зону обработки. В процессе приобретения нужной формы заготовка вращается, что обеспечивает ее равномерную обработку. Ковка детали осуществляется бойками.

Функционирование пресса производиться от мотора, присоединенного к клиноременным передачам. Их вертикальное размещение передает движение на боек и шатунный механизм. Для синхронности работы в устройстве расположены копирные барабаны. Червячные передачи приводят в работу держатель электромотором. Притормаживание движений осуществляется пружинной муфтой.

Рекомендации мастеров

При подаче давления на заготовку излишний металл вытесняется в разъем штампа в виде облоя (заусенца). Облой препятствует выходу металла из полости штампа, тем самым заставляя его, заполнить весь объем полости ручья.

При конечной деформации излишки металла выжимаются в заусенец. Таким образом, не предъявляются высокие требования к заготовкам по массе. На конечной стадии процесса заусенец подлежит удалению, поскольку считается отходом. Штампы открытого типа используются для поковок любого типа.

Преимущества закрытой штамповки заключаются в отсутствии облоя, но в результате уменьшается расход металла, готовые изделия имеют более однородную внутреннюю структуру и наименьшую шероховатость наружной поверхности.

В производстве деталей из малопластичных металлов, обработку которых производят при воздействии всестороннего сжатия, этот момент имеет значение.

При горячей штамповке металла штамп подвергается высоким нагрузкам – тепловым и механическим. Срок эксплуатации штампов в этом случае недолог – от 3 до 10 тыс. штук поковок.

Поэтому метод горячей штамповки экономически выгоден исключительно в массовом или серийном производстве больших партий деталей, так как штамп – инструмент довольно дорогой. Он пригоден исключительно для изготовления той поковки, для которой специально спроектирован. Это его существенное отличие от универсального инструмента свободной ковки.

Горячая объемная штамповка стали

Оборудование, используемое для горячей объемной штамповки

Для обработки металлических деталей методом горячей объемной штамповки используется специальное оборудование:

  • молотовые штампы;
  • горячештамповочные кривошипные прессы;
  • горизонтально-ковочные машины.

Наиболее распространенными являются паровоздушные молоты двойного действия и приводные фрикционные молоты простого действия. Суть их работы заключается в ударном характере деформирующего воздействия на заготовку.

Качественное перераспределение металла достигается при одновременном регулировании хода подвижных деталей и силы удара совместно с кантованием заготовки. Молоты – относительно недорогое оборудование.

В процессе ГОШ чаще всего применяются кривошипные горячештамповочные прессы.

Кривошипный горячештамповочный пресс

К отличительным чертам конструкции штамповочного пресса необходимо будет отнести жесткий привод, который не позволяет менять направление ползуна, отсутствие ударных нагрузок.

Полученные на прессах поковки имеют более высокую точность за счет жесткого хода, особенно по высоте. Это снижает появление припусков на механическую обработку (основное преимущество пресса перед молотом).

Однако, есть и недостатки. При отсутствии предварительной очистки заготовки от окалины, она вжимается в тело поковки. При контакте нагретого металла со стенками пресса происходит остывание заготовки в связи с большим количеством времени, затраченного на процесс деформации.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий