Разработка кузнечного цеха на определённый выпуск продукции по современным ресурсосберегающим и экологически чистым технологиям

3.2.4 Резка прутков на исходные заготовки

С учетом необходимости получения торца заготовки строго перпендикулярного к оси заготовки, отрезку проката будем производить на ленточных отрезных станках.

Для повышения точности получаемых заготовок будем использовать автоматическую линию распиловки на базе ленточно-отрезного станка по металлу маятникового типа с ЧПУ программированием и автоматическим загрузочным рольгангом.

Параметры загрузочного стола:

- min 24 мм (27 прутков);

- max 180 мм (5 прутков).

По таблице находим, что для стали 12Х2Н4А и ширины полотна от 27?0,9 до 34?1,1 мм распиливаются 50?350 мм с производительностью Vс(м/мин) = 50?54; Vz(см²/мин) = 24?30.

Рекомендуемые полотна: 071-Serra; 072S-Spectra. Для разрезки заготовок будем использовать полотно 34?1,1 мм.

Для увеличения производительности отрезки заготовок в тисках ленточно-отрезного станка зажимается не один пруток, а сразу несколько.

Норма расхода металла на одну поковку определяется из выражения [5, с.29]:

где: Dзг - диаметр заготовки, см;

- плотность штампуемого материала, г/см³;

- длина заготовки, см;

m =1 - число поковок, получаемых из одной заготовки;

коэффициент, учитывающий влияние укороченных штанг, допускаемых в партии.

Расчетная длина немерного проката:

Количество поковок из одного прутка:

Норма расхода металла на одну поковку:

Коэффициент раскроя определяется по формуле:

3.2.5 Нагрев под штамповку

При нагреве стальных слитков и заготовок под ковку и штамповку должны быть обеспечены требуемая температура, равномерное распределение температуры по поверхности и по сечению, минимальное окисление и обезуглероживание поверхности, сохранение целостности нагреваемого материала, т.е. отсутствие микро- и макротрещин.

Существенное значение на производительность и КПД индукционных нагревателей оказывает отношение диаметров нагреваемых заготовок к глубине проникновения тока в металл. Глубина проникновения тока зависит от частоты тока, магнитной проницаемости материала проводника и от удельной электрической проводимости среды.

Выбор частоты тока.

Для сквозного нагрева стальных заготовок различного диаметра рекомендуется применять частоты приведенные в табл. 21.

Таблица 21 - Рекомендуемая частота тока индуктора в зависимости от диаметра нагреваемой заготовки [1]

При окончательном выборе высокочастотного преобразователя для сквозного индукционного нагрева заготовок определенной номенклатуры предпочтение следует отдавать минимально допустимым частотам.

Для нагрева заготовки диаметром 50 мм выбираем индуктор с частотой тока 8000 Гц.

Будем использовать серийный индукционный нагреватель КИН2-250/8, основные параметры которого представлены в таблице 22.

Таблица 22 - Параметры серийного индукционного нагревателя КИН2-250/8 [1]

3.2.7 Обрезка облоя и просечка отверстия

Облой, образовавшийся по линии разъема при штамповке в открытых штампах, обрезают в обрезных штампах. Обрезная матрица всегда является режущим инструментом. Роль же пуансона часто сводится лишь к проталкиванию поковки в отверстие матрицы, которая и производит срез заусенца. Зазор между пуансоном и матрицей при обрезке облоя равен 2,4 мм.

Необходимое усилие обрезки облоя или пробивки перемычки определяют по формуле [2, с.482]:

где: S - периметр среза, мм;

t -действительная толщина среза облоя или перемычки, мм;

- предел прочности при температуре обрезки, МПа. Для стали 30ХГСА при 600С ;

Действительная толщина среза облоя:

Здесь: z - определяется графически по линии среза облоя;

n - возможная недоштамповка, которую принимают равной положительному допуску на размер поковки по высоте.

Периметр среза при обрезке облоя: .

Периметр среза при пробивке перемычки: .

U - износ выступа под наметку в штампе (принимают равным 2-5мм);

Усилие обрезки облоя:

Усилие пробивки перемычки:

Перемычки, оставшиеся при наметке отверстий в процессе штамповки, удаляют путем пробивки в штампах. Рабочими элементами штампа для пробивки являются пуансон и матрица. Пуансон всегда является режущим инструментом, матрица же только поддерживает поковку в процессе пробивки. Поковка имеет тенденцию задерживаться на пуансоне. Поэтому, как правило, в штампе предусматривается съёмник.

Обрезка облоя будет производиться на прессе однокривошипном закрытом обрезном. Выбор оборудования производим по расчетному усилию обрезки облоя.

Выбираем однокривошипный закрытый обрезной пресс с параметрами:

Номинальное усилие, кН -1600;

Ход ползуна, мм - 200;

Число ходов ползуна в 1 мин - 100;

Наибольшее расстояние между столом и ползуном в его нижнем положении, мм - 560;

Величина регулировки расстояния между столом и ползуном, мм - 10-20;

Размеры стола, мм - 640?820;

Размеры отверстия стола, мм - 460?460;

Размеры ползуна, мм - 600?600;

Толщина подштамповой плиты, мм - 120;

Для устранения дефектов горячей обработки полуфабрикатов из стали 30ХгСА используют отжиг. Для стали 30ХГСА - это нагрев полуфабрикатов до температуры 840-860С, в процессе выдержки (0,5 - 1,5 ч) происходит процесс рекристаллизации. Охлаждение по окончании выдержки проводят с печью до температуры 600°С.

3.2.8 Очистка поверхности поковок

Для получения поковок с высоким качеством поверхности, требующих минимальной обработки резанием, необходимо очищать заготовки перед нагревом и поковки после ковки и штамповки от поверхностных дефектов, окалины, ржавчины и других загрязнений (мазута, масла, песка). В зависимости от размеров поковок, а также от технических условий на изготовление последних в кузнечно-штамповочных цехах для очистки поковок и заготовок применяют различные способы и оборудование.

Характеристика дробеструйных аппаратов приведена в табл. 19 (3.1.8)

I - штамповки и поковки, подлежащие поштучному контролю механических свойств и твердости;

II - штамповки и поковки, подлежащие выборочному контролю механических свойств и твердости;

III - штамповки и поковки, подлежащие только контролю на твердость в состоянии поставки.

Наша поковка относится к III группе контроля.

Согласно ТУ 14-1-950-86 к поковкам и штамповкам из конструкционных сталей предъявляются следующие технические требования:

- штамповки и поковки поставляются в термически обработанном состоянии;

- на обрабатываемых поверхностях штамповок и поковок не должно быть трещин. При обнаружении они должны быть удалены пологой зачисткой. Без удаления допускаются местные дефекты в виде шлаковых включений, волосовин, закатов и заковов, глубина залегания которых, определяемая контрольной зачисткой, а также глубина зачистки трещин не должны превышать половины припуска на механическую обработку, считая от номинала;

- контролю состояния поверхности подвергают все штамповки и поковки поштучно в состоянии поставки;

- контролю размеров подвергают все поковки поштучно, штамповки подвергают выборочному контролю размеров на 5% от числа предъявляемых в партии, но не менее чем на 2-х штамповках.

3.3 Разработка технологического процесса изготовления поковки шпилька

3.3.1 Конструктивно-технологическая характеристика детали и базовый технологический процесс изготовления поковки

Дано задание получить горячей штамповкой заготовку для изготовления детали представленной на рис. 3.3.1.

Рисунок 3.3.1 - Чертеж детали «шпилька»

По базовой технологии поковку для данной детали получают на ГКМ.

Технологический процесс изготовления данной детали на ГКМ состоит из следующих пунктов:

4. Резка заготовок;

5. Нагрев в электропечи печи;

6. Высадка 1-ой голвки:

а) формовка в первом ручье;

б) обрезка облоя во втором ручье;

4. Зачистка заусенцев;

5. Нагрев в электропечи;

6. Высадка 2-ой головки;

а) Набор на конус в 1-ом ручье;

б) Набор на конус во втором ручье;

в) Формовка в 3-ем ручье;

г) Обрезка облоя в 4-ом ручье;

7. Зачистка заусенцев и под клеймо шифра плавки;

8. Клеймение шифром плавки;

9. Контроль;

10. Термообработка и обдувка;

11. Зачистка дефектов;

12. Окончательный контроль.

ают при выделении подгрупп поковок.

В соответствии с классификацией поковок штампуемых на ГКМ [2, с.238], наша поковка будет относиться к:

I группе 2-ой подгруппе-поковки с двумя утолщениями, расположенными на концах стержня. Технологический процесс зависит от объёма утолщений, диаметра заготовки, длинны стержня поковки и длины матриц. При штамповки от прутка используют скользящие матрицы с целью сокращения числа переходов и окончания всего процесса в одном штампе. Отделение поковки от прутка осуществляют при сдвиге ходом подвижной матрицы в отрезном ручье.

Недостатком данной технологии является завышенный расход металла на стержневую часть поковки. При диаметре стержня готовой детали 12мм штамповка ведётся из прутка диаметром 25мм, то есть припуск 6,5мм на сторону. В проекте предлагается уменьшить диаметр заготовки не увеличивая при этом трудоёмкость процесса.

3.3.2 Разработка чертежа поковки

Перед конструированием поковки необходимо рассчитать массу детали:

,

где: - объемы отдельных элементов детали;

- плотность материала заготовки (в нашем случае материалом заготовки являетсятитановы сплав ВТ3-1, ().

Используя САПР «Компас 3D» построили трехмерную модель детали вычислили объем детали V = 21189 мм³ и ее массу G_д ? 0,140 кг.

Исходные данные для расчета

7. Масса поковки - 0,140 кг:

Расчетный коэффициент [3, с. 31]. Принимаем .

Тогда, масса поковки: 0,14•1,7=0,238 кг.

8. Класс точности - Т4 [3, с. 28]. Оборудование - ГКМ.

9. Группа стали - М3 [3, с. 8]. Сплав ВТ3-1, суммарное содержание легирующих элементов более 5 %.

10. Степень сложности - С2 [3, с. 30].

Припуски и кузнечные напуски

1. Основные припуски на размеры [3, табл. 3]:

диаметр 95 мм, Rz 20 - припуск 1,2 мм;

диаметр 30 мм, Rz 1,25 - припуск 1,5 мм;

толщина 32 мм, Rz 20 - припуск 1,2 мм;

толщина 7 мм, Rz 20 - припуск 1,1 мм;

2. Дополнительные припуски, учитывающие:

отклонение от плоскостности - 1 мм

3. Штамповочный уклон 0?30'[3, табл. 18]:

Оборудование -ГКМ.

Размеры поковки и их допускаемые отклонения

1. Размеры поковки, мм:

диаметр 12+2•5=22 мм

диаметр 20 + 2•2,7 = 25,4 мм, принимаем 25,5 мм;

диаметр 32 - 2•2 = 36 мм, принимаем 36 мм;

толщина 2,5 + 2•(2,2+1) = 8,9 мм, принимаем 9 мм;

толщина 4+ 2•(1,1+1) = 8,4 мм, принимаем 8,5 мм;

диаметр 30- 2·2=26 мм, принимаем 26 мм;

диаметр 35+2•2=39 мм, принимаем 39 мм;

диаметр 70+2•2=74 мм, принимаем 74 мм;

длина 137,2+2•2=141,2 мм, принимаем 141,2 мм;

длина 158,7+2•(1,8+1)=164,2 мм

2. Радиус закругления углов - 2 мм (минимальный), принимается 2,5 мм [3, табл. 7];

Радиус закругления внутренних углов принимаем в 2?3 раза больше наружных закруглений.

3. Допускаемые отклонения размеров [3, табл. 8], мм:

диаметр ;

диаметр ;

толщина ;

толщина ;

диаметр ;

диаметр ;

диаметр ;

длина ;

длина .

4. Неуказанные допуски радиусов закругления [3, табл. 17]: для класса точности Т4 принимаем 0,5 мм - для наружных радиусов, 1 мм - для внутренних радиусов.

5. Допускаемое отклонение от плоскостности - 0,5 мм [3, табл. 13].

6. Допускаемая величина заусенца, - 7,0 мм [3, табл. 11].

Чертеж поковки представлен на рис. 3.3.2.3.

Рисунок 3.3.2.3 - Чертеж поковки

Объем поковки рассчитали с помощью САПР «Компас 3D» - 116621.мм³, масса поковки - 520,5 г.

Чертеж поковки для изготовления штампа выполняют по чертежу холодной поковки с соблюдением того же масштаба, но в проставляемых размерах должны быть учтены усадка и возможность неравномерной усадки отдельных участков поковки. Для стали усадка составляет 1,5 % (за исключением тонких удлиненных быстростынущих участков поковки, для которых усадка равна 1,2-1 %). Для нашего сплава усадка будет 1,2%.

Размер горячей поковки с учетом усадки:

где:

l - размер холодной поковки;

? - коэффициент линейного расширения металла поковки;

t - температура конца штамповки.

В нашем случае:

3.3.3 Расчет размеров исходной заготовки для штамповки поковок с двумя утолщениями, расположенными на концах стержня. Технологический процесс штамповки

Поковка относится к I группе, 2-ой подгруппе [2, с. 238].

Первое утолщение штампуют от переднего упора второе от заднего.

1.Определение диаметра исходной заготовки, объёма и длины высаживаемой части для первой головки: объем высаживаемой части прутка определим по формуле

,

Vп- объем высаживаемой части поковки;

Vз- объем заусенца;

?- угар металла =14%.

Vп- объем высаживаемой части поковки рассчитали с помощью САПР «Компас 3D»-17684 мм3, Vз- объем заусенца для диаметра высаживаемой части тоже рассчитали с помощью САПР «Компас 3D»-2945 мм3, размеры которого приведены на рисунке 3.3.3а

D-диаметр высаживаемой части

b-ширина заусенца

t-толщина заусенца

Рисунок 3.3.3а- Размеры заусенца

t=1.5, b=7 т.о.

.

Длина высаживаемой части прутка

,

где:

F- площадь сечения заготовки(прутка) с учётом усадки

.

При высадки на ГКМ различают высадку без изгиба( свободная высадка) и с ограниченным изгибом высаживаемой части заготовки( высадка на ограниченный диаметр). Возможность свободной высадки определяют расчетом устойчивости высаживаемой заготовки. Высадка происходит без изгиба заготовки если её относительная высаживаемая длина удовлетворяет условию , где допустимое значение относительной высаживаемой длин;

,

n- коэффициент упрочнения определяемый по кривой упрочнения для данного материала, n=0,35 для ВТ3-1;

?- угол скоса торца заготовки, ?=1?.

.

;

Vп- объем высаживаемой части поковки рассчитали с помощью САПР «Компас 3D»-39853 мм3, Vз- объем заусенца для диаметра высаживаемой части тоже рассчитали с помощью САПР «Компас 3D»-9123 мм3

;

Длина высаживаемой части прутка

,

.

4.Расчёт устойчивости второй высаживаемой части заготовки.

Определим относительную высаживаемую длину , так как условие не выполняется, то высадка будет происходить на ограниченный диаметр.

lk-длина конуса

lB-длина высаживаемой части

Dk- диаметр большего основания

d- исходный диаметр

Рисунок3.3.3г- Схема высадки на ограниченный диаметр

а) Набор на конус в первом ручье.

Определим длину конической полости по формуле

,

где: u- коэффициент запаса пространства полости штампа, u=1,9 для первого перехода;

dk- диаметр меньшего основания конуса, определяется по формуле

при ?=1-1,05, принимаем 1,025

;

Dk- диаметр большего основания конуса, принимается из условия предельных значений диаметра утолщения при высадки на ограниченный диаметр в пуансоне и матрице Принимаем , следовательно

;

2) Набор на конус во 2-ом ручье.

Второй переход необходим если , где;

.

Определим

,

где:

u2=1,06 для второго перехода;

мм;

мм,

.

Проверим необходимость 3-го перехода

Таким образом размер длины исходной заготовки будет определяться из длин высаживаемых частей( до высадки) и длины оставшейся части стержня по чертежу поковки. Длина заготовки для первой головки l1=59мм, второй l2=140,3мм и длина стержня по чертежу l3=123,7мм. Итого общая длина заготовки 323мм, диаметр 22мм.

Ленточно-отрезные станки с инструментом в виде «бесконечной» зубчатой ленты развивают скорость 10?240 м/мин, обеспечивают хорошее качество поверхности среза, высокую производительность (в 1,5?2 раза выше производительности фрезерно-отрезных станков), малый отход металла и удельный расход энергии; работа протекает с незначительным шумом. Ширина пропила обычно не превышает 2,2 мм. Ограничивающим фактором применения ленточно-отрезных станков является недостаточная стойкость ленточных пил (5?15 ч). Для устранения этого недостатка применяют биметаллические ленточные пилы.

Производительность при резании среднеуглеродистой стали ленточной пилой из легированной стали со скоростью 40?50 м/мин составляет 25см²/мин, а биметаллической пилой с рабочей частью из быстрорежущей стали - 70 см²/мин.

Выбор оборудования произведем из «Каталога оборудования и инструмента “Технотерра”. Технологии эффективного производства. № 5, 2006 г.».

Данная линия распиловки на базе станка маятникового типа разработана для автоматической распиловки под 90 заготовок сплошного сечения. Оснащена 6-и метровым автоматическим загрузочным столом, позволяющим загрузку сразу нескольких заготовок и их транспортировку для порезки на отрезаемую длину, которая задается ЧПУ программированием. Ленточно-отрезной станок оснащен вариатором скорости, независимым гидравлическим управлением давлением подачи и скоростью подачи, что позволяет подбирать необходимые режимы резания и достигать оптимальной производительности и ресурса полотна.

Основные характеристики данного станка представлены в табл. 3.3.4.

Таблица 3.3.4 - Основные параметры ленточно-отрезного станка Seinhaser P-300MNC

- длина торцевого обрезка, см;

- расчетная длина некратности, см;

n - количество поковок, получаемых из одного прутка,

- расчетная длина немерного проката, определяется по формуле:

Прутки поставляются длиной от 3 до 10 м из углеродистой обыкновенного качества и низколегированной стали; от 2 () до 6 м () из качественной углеродистой и легированной стали; от 1,5 до 6 м из высоколегированной стали.

При изготовлении прутков немерной длины допускается наличие прутков длиной не менее 2 м () из углеродистой обыкновенного качества и низколегированной стали и не менее 1 м из качественной углеродистой, легированной и высоколегированной стали и сплаов в количестве не более 10 % (П) массы партии [4, с.77].

Тогда:

Из технологических свойств титанового сплава ВТ3-1 известен ее температурный интервал ковки - начала 1150С, конца 900С.

В кузнечно-штамповочном производстве для нагрева заготовок из различных сталей, цветных металлов и сплавов в интервале 800?1300С применяют электрические печи сопротивления, индукционные нагревательные установки, установки электроконтактного нагрева и ванны с расплавами сталей, стекла и электролитов.

Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее экономичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко применяют, так как он повышает производительность труда, позволяет провести полную автоматизацию и обеспечить высокую стабильность процесса, улучшить условия труда и сократить потери металла на окалинообразование.

Потери металла в виде окалины при индукционном и электроконтактном нагреве составляют 0,2?0,4 % массы нагреваемого металла, что почти в 10 раз меньше, чем при нагреве в пламенных печах.

В нашем случае, будем применять индукционный нагрев заготовок.

Индукционный нагрев основан на передаче на малые расстояния специально сформированного потока электромагнитной энергии и превращении ее в тепловую в заготовке. Формирование направленного потока электромагнитной энергии осуществляется с помощью индукционных катушек-индукторов плоской или цилиндрической формы, выполненных из водоохлаждаемой медной трубки.

Индукторы подключают к специальным генераторам переменного напряжения различных стандартных частот.

Если внутрь индуктора поместить металлическую заготовку, то по закону электромагнитной индукции в ней возникает переменный электрический ток, под действием которого в заготовке будет выделяться тепловая энергия.