Глава 1. Назначение механических прессов холодной и горячей объемной штамповки. Особенности технологических процессов

1.1. Особенности технологических процессов холодной объемной штамповки

Изменение поперечного сечения заготовок, осуществляемое путем продавливания материала в отверстие матрицы, называли «Kaltspritzen» (холодное выдавливание), «Spritzpressen» (ударное прессование), «Flipressen» (прессование истечением), «Preflieen» (истечение при прессовании). Этот процесс применяется в основном для изготовления осесимметричных деталей, причем в качестве заготовок используются диски и прутки. В середине 60-х годов XX века немецкие специалисты решили этот метод деформирования называть выдавливанием (прессование истечением).

Детали, изготавливаемые описанным выше способами, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Детали, изготавливаемые холодной объемной штамповкой

Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Основными ее разновидностями являются: высадка, выдавливание, объемная формовка, чеканка.

Высадка – образование на заготовке местных утолщений требуемой формы в результате осадки ее конца (рис. 2).

Рис. 2. Последовательность переходов изготовления детали высадкой

Выдавливание – формообразование сплошных или полых изделий, благодаря пластическому течению металла из замкнутого объема через отверстия соответствующей формы.

Особенностью процесса является образование в очаге деформации схемы трехосного неравномерного сжатия, повышающего технологическую пластичность материала.

Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание (рис. 3).

При прямом выдавливании металл течет из матрицы в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона (рис. 3а, 3б). Этим способом можно получить детали типа стержня с утолщением, трубки с фланцем, стакана с фланцем.

При обратном выдавливании металл течет в направлении, противоположном направлению движения пуансона, в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей для получения полых деталей с дном (рис. 3в) или в полый пуансон для получения деталей типа стержня с фланцем (рис. 3г).

Рис. 3. Схемы выдавливания

а, б – прямого; в, г – обратного; д, е – комбинированного; ж - бокового

При боковом выдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона (рис. 3ж). Таким образом, можно получить детали типа тройников, крестовин и т.п. Для обеспечения удаления заготовок из штампа матрицу выполняют состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, проходящей через осевые линии исходной заготовки и получаемого отростка.

При комбинированном выдавливании металл течет по нескольким направлениям. Возможны сочетания различных схем.

Объемная формовка − разновидность осадки, применяется для изготовления деталей сложной формы в штампах с фигурной полостью.

Чеканка – образование рельефных изображений на деформируемом материале. На рис. 4 приведена схема выполнения основных операций чеканки.

Рис. 4. Схема выполнения основных операций чеканки

а) гравирование; б) насечка; в) формование; г) смещение

Чеканка осуществляется в закрытых штампах на чеканочных, фрикционных и гидравлических прессах.

При холодной штамповке коэффициент использования материала достигает 95 %.

При холодном деформировании формируется благоприятная ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках.

Это позволяет получать конструкции с меньшими размерами и металлоемкостью, чем при обработке резанием, повышая при этом их надежность. Но для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производствах.

Холодная объемная штамповка и экструзия стали вошли в практику более 40 лет назад с открытием свойств фосфата цинка как эффективного разделительного покрытия между заготовкой и инструментом при поверхностном давлении 2000 Н/мм² и выше. Слой фосфата цинка на поверхности заготовки создается путем химической обработки. Кристаллическое пористое покрытие химически связывается со сталью и абсорбирует смазки благодаря высокой площади внутренней поверхности.

Фосфатирование - это химический процесс, осуществляемый на специальном оборудовании. Ситовые барабаны с заготовками вращаются с погружением поочередно в нескольких ваннах для получения однородного покрытия, являющегося основой успешной холодной обработки давлением.

Фосфатированные заготовки обрабатываются погружением в покрытия, которые выступают в качестве смазки. Такими покрытиями может быть цинковое мыло (Bonderlube T), дисульфид молибдена (Molydag), либо графит (Dag). Цинковые мыла химически связываются с фосфатным покрытием, в то время как слоистые твердые смазки (дисульфид молибдена, графит) абсорбируются на поверхности пористого носителя смазки.

Смазочной эффективности металлического мыла часто недостаточно для современных процессов холодной обработки давлением. Заводские испытания показывают, что коэффициенты трения мыла существенно возрастают при разогреве до температур 200ºC или выше. При этих температурах только слоистые смазки (в том числе дисульфид молибдена) более устойчивы к экстремальному давлению, чем графит.

Другим преимуществом слоистых смазок перед мылом является их гораздо меньшая склонность к образованию отложений на штампах.

Наибольшее распространение в холодной объемной штамповки (ХОШ) находит способ получения изделий из различных профилей, прутков, труб и др., при котором заготовка, помещенная в специальный контейнер, выдавливается из него пуансоном (пресс-штемпелем) через отверстие в матрице, имеющее форму (очертания) будущего изделия.

Объемная холодная штамповка применяется для изготовления деталей сложной формы, но малых размеров из металлов, обладающих высокой пластичностью. Процесс объемной штамповки — пластическая деформация деталей — идентичен горячей штамповке, но отсутствие нагрева позволяет получить более точные детали с чистой поверхностью и создаёт благоприятные предпосылки для механизации и автоматизации технологического процесса, что повышает производительность и улучшает условия труда. В то же время установка инструмента проста, а это создает возможность быстро переналаживать оборудование для изготовления различных изделий.

Применение объемной штамповки в сочетании с другими штамповочными операциями позволяет получить детали, не требующие или почти не требующие дальнейшей механической обработки.

К числу операций объемной штамповки относятся: осадка, объемная формовка, холодное выдавливание, высадка, чеканка, клеймение.

При ХОШ процесс изготовления деталей расчленяется на операции и переходы, выполняемые в специализированных штампах. ХОШ сопровождается упрочнением, т. е. увеличением прочности металла и уменьшением его пластичности, затрудняющим деформирование в последующих операциях. Для устранения вредного влияния упрочнения применяют межоперационную термообработку (рекристаллизационный отжиг).

Холодное выдавливание один из наиболее экономичных и высокопроизводительных методов изготовления точных по размеру деталей с минимальным объемом механической обработки в крупносерийном и массовом производстве

К основным преимуществам технологических процессов холодного выдавливания можно отнести следующее:

1. Лучшее качество поверхности.

2. Повышенная долговечность и износостойкость.

3. Повышенная прочность

4. Экономия металла.

5. Высокая производительность

Технологические процессы холодной объемной штамповки (ХОШ) находят все более широкое применение в автомобилестроении.

Как известно, эти процессы характеризуются более высоким коэффициентом использования металла по сравнению с литьем и горячей штамповкой, а в сравнении с обработкой резанием значительно уменьшается трудоемкость изготовления деталей, в особенности при крупносерийном и массовом производстве.

Однако это потребовало проведения длительных технологических опытов и различных испытаний, чтобы доказать, что те или иные детали (напр., показанные на рис. 1) можно изготавливать методами ХОШ.

Наиболее активно в отечественном производстве работа по разработке и внедрению технологических процессов ХОШ началась в 60-е годы XX века. Сначала это были работы по разработке и внедрению в производство технологии ХОШ наиболее массовых деталей: шаровых и поршневых пальцев, гаек крепления колес и т.п.

И в связи с этим возникла необходимость создания специализированных участков ХОШ на автомобильных предприятиях: АЗЛК, ЗМЗ, ЗИЛ, КрАЗ, УАЗ и других.

Для реализации рассматриваемых процессов применяют следующие виды технологического оборудования:

- прессы чеканочные;

- прессы для холодной объемной штамповки;

- автоматы холодновысадочные (3-х, 4-х и 5-ти позиционные) предназначены для получения заготовок для производства шестигранных гаек с фасками и отверстиями под резьбу из стальной или омедненной проволоки круглого сечения, болтов и других различных изделий стержневого типа ( рис. 5);

- автоматы холодноштамповочные (рис. 6);

- автоматы резьбонакатные (рис. 7);

- автоматы гвоздильные (предназначены для изготовления гвоздей по ГОСТ 4028 – 63 и ГОСТ 4034–63 из низкоуглеродистой стальной проволоки по ГОСТ 3282–74 −рис. 8;.

- другое оборудование для холодной объемной штамповки.

Рис. 5. Автомат холодновысадочный

Рис. 6. Автоматы холодноштамповочные

Рис. 7. Автоматы резьбонакатные

Рис. 8. Автомат гвоздильный