Изготовление технологического оборудования обработкой давлением

Линии течения портят поверхность детали, например, при штамповке облицовочных деталей автомобиля, которые должны быть гладкими, и вынуждают перед окраской проводить дополнительные грунтовочные работы, с тем, чтобы сделать следы местного утонения в линиях течения невидимыми в готовой детали.

Линии течения появляются при штамповке из металлов, имеющих площадку текучести при испытании на растяжение (низкоуглеродистая сталь, молибден, латуни, нейзильбер). Площадка текучести соответствует нарастанию пластической деформации при постоянном деформирующем усилии. Чем больше площадка текучести, тем в большей степени могут проявляться линии течения.

Существуют несколько гипотез, объясняющих появление площадки текучести, из которых наибольшей наглядностью обладают гипотеза скелетной сетки и гипотеза, связанная с «облаками Коттрелла».

По обеим этим гипотезам образование площадки текучести объясняется снижением сопротивления отдельных зерен в начале их пластического деформирования. Так как в первую очередь деформация возникает в зернах с благоприятным ориентированием плоскостей скольжения, то при снижении сопротивления деформированию этих зерен при том же усилии нагрузка на остальные зерна возрастает, и в пластическое состояние включаются зерна с менее благоприятным ориентированием плоскостей скольжения. Этот процесс может продолжаться до перехода в пластическое состояние всех зерен заготовки, что соответствует окончанию деформации на площадке текучести и началу деформирования с упрочнением, при котором для продолжения пластического деформирования требуется монотонное увеличение деформирующего усилия.

При гипотезе скелетной сетки считается, что оболочки зерен содержат повышенное количество примесей и имеют большее сопротивление деформированию, чем само зерно. Растрескивание этих оболочек в начальной стадии деформирования выключает их из сопротивления деформированию самих зерен (без оболочек).

По второй гипотезе считается, что благодаря силовому взаимодействию полей, созданных дислокациями и инородными атомами, последние концентрируются вокруг дислокаций («облака Коттрелла»), что приводит к уменьшению потенциальной энергии, накопленной в зернах.

Начало пластической деформации сопровождается движением дислокаций, которые должны выйти из окружающего их облака инородных атомов. Извлечение дислокаций из этих «облаков» требует больших усилий, чем последующее их движение, что и приводит к снижению сопротивления деформации зерен в начальной стадии деформирования.

Величина площадки текучести, а следовательно, и линий течения при прочих равных условиях увеличивается с уменьшением размеров зерен и увеличением скорости деформирования. Однако регулирование величины линий течения изменением размеров зерен и скорости деформирования нерационально. Наиболее рационально для устранения линий течения предварительное (до штамповки) деформирование листового металла, обеспечивающее величину деформации несколько большую, чем деформация в пределах площадки текучести. Эту деформацию обеспечивают или холодной прокаткой с малыми обжатиями («дрессировка») или гибкой в специальных вальцах типа правильных, но с регулируемым изгибом.

Этими мерами можно предупредить образование линий течения, но следует помнить, что они обеспечивают лишь временное устранение площадки текучести.

За счет диффузионных и релаксационных процессов может произойти изменение строения зерен, при котором опять появится площадка текучести. Восстановление площадки текучести после «дрессировки» происходит медленнее, а после изгиба площадка текучести может появиться через несколько часов. Поэтому применять гибку для устранения линий течения желательно непосредственно перед штамповкой.

Сезонное растрескивание. Впервые это явление было обнаружено на латунных гильзах снаряженных патронов при их хранении. Самопроизвольно, без воздействия внешних сил, на гильзах образовывались трещины, причем чаще это наблюдалось весной и осенью.

В результате исследований было выявлено, что сезонное растрескивание происходит вследствие того, что в результате межкристаллитной коррозии нарушается спаянность зерен и поэтому остаточных напряжений первого рода оказывается достаточно для разрушения ослабленного коррозией изделия. Для латуней реагентом, существенно ускоряющим межкристаллитную коррозию, являются пары аммиака, содержание которых в воздухе увеличивается в более влажные осенние и весенние периоды. Вероятность растрескивания можно уменьшить путем снятия остаточных напряжений, которые не только создают разрушающие (растягивающие) силы, но и существенно ускоряют протекание межкристаллитной коррозии.

В тех случаях, когда, например, для гильз, недопустимо уменьшение прочностных свойств металла, созданных упрочнением при холодной деформации, рекристаллизационный отжиг исключается и рациональной термообработкой является возврат, снимающий остаточные напряжения первого рода и почти не сказывающийся на прочностных характеристиках изделия.

Вторым способом борьбы с сезонным растрескиванием является нанесение на поверхность изделия защитных пленок (лаки, пластмасса), уменьшающих контакт поверхностей деталей с атмосферой.

Сезонное растрескивание наблюдается не только в латунях, но и во многих других металлах и сплавах. Даже в аустенитной, коррозионно-стойкой стали, межкристаллитная коррозия может иметь место, особенно при повышении температур до 400 °С. Воздействовать на интенсивность межкристаллитной коррозии можно изменением химического состава. В частности, в аустенитных сталях уменьшение содержания углерода и дополнительное легирование титаном (08Х18Н10Т; 12Х18Н10Т) делает эти стали несклонными к межкристаллитной коррозии, а, следовательно, и к сезонному растрескиванию.

Старение. Оно заключается в том, что с течением времени прочностные свойства металла увеличиваются, а характеристики пластичности уменьшаются.

Старение связано с диффузионными процессами, в результате которых происходит накопление препятствий движению дислокаций. Такими препятствиями могут быть скопление инородных атомов вокруг дислокаций, выделение субмикроскопических объемов твердого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента и т.п.

Упрочнение и соответствующее увеличение накопленной потенциальной энергии облегчает протекание диффузионных процессов и способствует интенсификации процесса старения. Различают естественное старение, происходящее при комнатной температуре, и искусственное (термическое) старение при нагреве.

При холодной штамповке естественное старение может сказаться на допустимой деформации и привести к увеличению брака по разрывам.

В сталях интенсивность старения возрастает с увеличением содержания кислорода и азота. Установлено, что азот оказывает большее влияние на старение, чем углерод, вследствие его более высокой растворимости в феррите при комнатной температуре и большей скорости диффузии.

Присадка алюминия уменьшает склонность сталей к старению благодаря тому, что азот и кислород, взаимодействуя с алюминием, образуют нитриды и оксиды, которые не могут перемещаться в решетке феррита.

Лекция № 11. Вырубка

Это разделительная операция, заключающаяся в отделении части заготовки по замкнутому контуру в штампе, причем, отделенная, смещенная в матрицу часть заготовки является деталью или полуфабрикатом для последующей штамповки, механической или иной обработки. Производится при помощи вырубного штампа.

Процесс резания штамповки при вырубке, пробивке и других разделительных операциях в некоторой степени аналогичен процессу резания ножницами. В данном случае пуансон и матрица являются как бы ножами замкнутой конфигурации.

Процесс резания штампами состоит из трех стадий:

- упругой;

- пластической;

- скалывания.

В первой стадии происходит упругий изгиб металла с легким выдавливанием его в отверстие матрицы. При этом напряжения в металле не превосходят предела упругости.

В пластической стадии происходят вдавливание пуансона в металл и выдавливание его в отверстие матрицы. Вдавливание вырубного пуансона происходит не по всей торцевой поверхности, а лишь по кольцевому пояску. Такое же вдавливание наблюдается и со стороны матрицы. Отпечатки от локализованного вдавливания пуансона и матрицы остаются на вырубленной детали и отходе в виде смятой полоски вдоль контура резания.

В результате локализованного вдавливания пуансона и матрицы возникает круговой изгибающий момент, образованный силами трения.

Под действием кругового изгибающего момента заготовка получает пространственный изгиб (выпучивание), при котором с выпуклой наружной стороны-заготовки реализуется напряженное состояние двухосного растяжения, а не внутренний - сжатия.

Непосредственно под режущей кромкой пуансона создается напряженное состояние объемного сжатия, по режущей кромке - с напряжениями радиального растяжения. Первое состояние более благоприятно для пластического течения металла, а второе - и способствует возникновению микротрещин в зоне резания.

К концу второй стадии напряжения вблизи режущих кромок достигают максимальной величины, соответствующей сопротивлению металла срезу.

При вырубке деталей пуансон должен быть плоским, а скос делается на матрице. Деталь получается плоской, а отход изогнутым. Скос должен быть двухсторонним и симметричным относительно центра давления пуансона.

При пробивке отверстий матрица должна быть плоской, а скос делается на пуансоне.

В третей стадии процесса у режущих кромок матрицы образуются скалывающие трещины. После дальнейшего движения пуансона и исчерпывается местная пластичность металла и скалывающие трещины возникают у режущих кромок пуансона. Эта последовательность скалывания подтверждаетя тем, что блестящий поясок, соответствующий пластической стадии резания, на отходе значительно шире, чем на детали.

Скалывающие трещины, направленные по линиям наибольших деформаций сдвига (поверхности скольжения), быстро распространяться на внутренние слои металла и вызывают отделение вырезаемой детали.

Поэтому во время первой и второй стадии вырубки, скорость движения пуансона меньше, чем в третей стадии.

При дальнейшем движении пуансона вырезанная деталь проходит через рабочую часть матрицы.

При оптимальном зазоре между пуансоном и матрицей поверхности сдвига (линии скольжения), возникающие у режущих кромок пуансона совпадают с поверхностями сдвига и трещинами, возникающими у режущих кромок кромок матрицы и образуют общую криволинейную поверхность скалывания.

При вырубке с малым зазором твёрдых материалов двойного среза не получается. В случае очень большого зазора на поверхности образуются равные заусенцы от затягивания и обрыва металла в опоре.

Изменение усилия вырубки на протяжении рабочего хода

h - глубина вдавливания

Как показали исследования, проведённые Романовским, сопротивление срезу зависит не только от механических свойств металла от степени предварительного наклона инструмента, но так же от относительно толщины заготовки, зазора и скорости вырубки.

11.1 Потребное усилие при вырубке штамповки

Потребное усилие при вырубки штамповки зависит от формы режущих кромок пуансона и матрицы, которые могут быть плоскими, параллельными и скошенными-наклонными.

1 Вырубка в штампах с параллельными режущими кромками. У штампов с параллельными режущими кромками угол створа (наклона) ц=0, а угол резания д=90⁰.

Усилие вырубки при этом:

 (1)

Где F -- площадь среза;

U -- длина контура вырубаемой части;

S -- толщина материала;

ф₀ - сопротивление срезу, приближенно равно ф₀ = (0,7 ... 0,8)у_в

В основном исходя из вырубаемого материала выбирается по таблицам.

m = 1...1,3 -- коэффициент, учитывающий условия вырубки (скорость деформации, конструкцию штамма, зазор между матрицей и пуансоном).

2 Вырубка штампами с наклонными режущими кромками прямоугольных деталей

При вырубке плоскими штампами усилия могут достигать больших величин. Поэтому широкое применение нашли пуансоны со скошенными кромками.

Величина скоса обычно применяется:

ц = (2...8)0; H = (1...3) S;

ц = (5...2)0; H = (3...2) S, для

При этом усилие снижается на 45-30%;

ц = (8...5)0; H = (3...2) S, при

Усилие снижается на 65-50%.

При определении усилия при вырубке прямоугольным пуансоном следует рассматривать отдельно усилие в последующие моменты.

а) в первоначальный момент пуансон одновременно срезает две боковые грани шириной «С» и надрезает четыре участка на углах длиной



следовательно в этот момент имеет место одновременная вырубка плоскими (срезание двух боковых граней -- усилие Р) и скошенными (надрезание четырёх угловатых участков усилие Р) пуансоном.

Полное усилие для первого момента вырубки равно:

(2)

где U_пр -- приведённый периметр.

б) Для поступающих моментов усилие значительно меньше:

(3)

Где m -- коэффициент учитывающий влияние изгибающих сил, неравномерность распределения зазоров.

При

3 Вырубка крупных деталей с наклоном режущих кромок внутрь.

Усилие:

(4)

Где H -- высота наклона регулирующих кромок;

y -- переменная величина, зависящая от глубины опускания пуансона;

m -- коэффициент учитывающий влияние изгибающих сил, неравномерность распределения зазоров.

при

максимальные усилия резания необходимы при y = S

4 Вырубка с наклоном режущих кромок наружу.

Потребное усилие вычисляется по формуле:

;(5)

. при

Зазоры между пуансоном и матрицей при вырубке

Зазор оказывает значительное влияние на: величину потребного усилия, качество и точность детали, износ и стойкость штампа. Величина зазора зависит от: механических свойств, толщины металла, режима работы пресса. Величина зазора колеблется широких пределах. Различают минимальное значение оптимального зазора, при котором торцевая кромка среза становиться почти перпендикулярной к плоскости детали без заметного образования заусенца. Максимальное значение зазора при котором поверхность среза удовлетворительно (допуски на шероховатость поверхности находятся в пределах допуска), хотя и не является вертикальной, максимальное значение зазора лимитируется появлением изгибающих моментов.

Зазор определяется из соотношения:

(6)

где m -- коэффициент учитывающий материал и толщину, выбирается по таблицам (Зубцов).

Так же имеется простая формула для аналитического определения величины зазора м/у пуансоном и матрицей (Попов Е.А.):

(7)

Как показали многочисленные опыты средняя величина угла колебания от 4-6, уменьшаясь с увеличением пластичности характеристик материала заготовки.

В то же время глубина внедрения h до появления трещин колеблется от 0,1 до 0,5S, увеличиваясь с увеличением пластичности материала.

11.2 Повышение качества поверхности среза (Попов) при вырубке

В плоских деталях, получаемых из листового металла часто требуется хорошая чистота боковой поверхности и повышенная точность поперечных размеров.

Указанное может быть достигнуто увеличением высоты блестящего пояска по толщине заготовки или применением отделочных операций после вырубки, которые улучшают качество поверхности среза, и обеспечивает перпендикулярность боковой поверхности к плоскостям вырубленной детали.

Увеличение высоты блестящего пояса может быть осуществлено в случае, если трещины опережающего разрушения возникают при большей, чем обычно условиях глубине внедрения режущих кромок.

Это может быть достигнуто:

1 Уменьшением деформации растяжения вблизи кромки среза;

2 Увеличением пластичности материала.

Первое достигается уменьшением концентрации напряжений и неравномерности деформаций за счёт притупления одной из режущих кромок .

Притупляются при вырубке в основном кромки матрицы, образующие блестящий поясок, высоту которого желательно увеличить. Это приводит к образованию трещины при большей глубине внедрения пуансона, чем при острой режущей кромке. Навалакиваемый металл на боковую поверхность детали образуется за счёт избытка и увеличивает блестящий поясок.

Второе направление, связанное с увеличением пластичности -- это уменьшение влияния растягивающих напряжений на процесс деформирования. Существует 3 способа уменьшения влияния растягивающего напряжения:

1 Нагрев заготовок и горячая вырубка.

2 Вырубка с отрицательным зазором или «вырубка с пуансоном с исполнительными размерами больше матрицы».

3 Вырубка со сжатием.

Вырубка с нагревом

При вырубке с нагревом используется свойство металлов повышать свою пластичность в 5-6 раз.

При данной операции необходимо учесть усадку детали после охлаждения и с его учетом скорректировать размеры пуансона и матрицы. Применяется при среднесерийном и крупносерийном производстве.

Вырубка с отрицательным зазором

При данной операции часть заготовки вблизи поверхности раздела заключена между торнами пуансона и матрицы и деформируется под действием нормальных напряжения сжатия, приложенных к обеим поверхностям заготовки. То есть заготовки находится в условиях сжатия или осадки между параллельными плоскостями.

Чем больше величина перекрытия торцом пуансона отверстия матрицы осаживаемой части заготовки, тем больше удлинение волокон в этой части заготовки в поперечном направлении.

Отсутствие растягивающих напряжений резко повышает пластичность материала.

Недостатки:

1 Изменение схемы напряжённого состояния увеличивает усилия деформации в 2-2,5 раза. Они возрастают пропорционально ширине отсаживаемой зоны.

2 Увеличение сжимающих напряжений может привести к потере устойчивости формы заготовки.

Чем больше недоход пуансона до матрицы, тем больше необходимое усилие вырубки и больше площадь блестящего пояска:

, (8)

где - величина не дохода;

- коэффициент трения;

- нормальное напряжение, действующее на боковой поверхности пуансона;

- сопротивление срезу;

S - толщина заготовки.

Если принято, что и (сталь по стали)

Разновидностью вырубки с отрицательным зазором являться вырубка ступенчатым пуансоном, высота - цилиндрической части меньшего диаметра, несколько меньше высоты блестящего пояска при вырубке.



В этих условиях вначале входит в заготовку торцевая (меньшая часть), но до образования трещины вступает в дело фланцевая часть как при вырубке с отрицательным зазором. В конце вырубки торцевая часть пуансона заходит в отверстие матрицы, окончательно отделяя вырубленную часть полосы.

Вырубка со сжатием

В этом штампе обеспечивается зажатие заготовки в зоне очага деформации по обеим поверхностям -- между торцом и прижимом, между торцом пуансона и выштампователем. Зажатие заготовки исключает её изгиб в процессе вырубки, что соответствует уменьшению угла наклона трещин опережающего разрушения к боковой поверхности пуансона. Следовательно, поверхности раздела становится почти перпендикулярной к плоскости заготовки. Уменьшение изгибающих моментов и воздействие сжимающих напряжений, приложенных к тем поверхностям, которые являются свободными в обычных условиях вырубки, приводит к увеличению сжимающих напряжений, действующих в направлении, перпендикулярном к срезанной поверхности. Если эти напряжения станут больше: напряжения текучести, то по условию пластичности напряжения, действующие вдоль срезанной поверхности, также станут сжимающими. Это приводит к увеличению пластичности, а также к увеличению Высоты блестящего пояска и более позднему образованию трещин опережающего разрушения.

Недостаток: Р в 1,5-2 раза больше чем при обычной вырубке.

Для уменьшения смещения заготовки в процессе вырубки на прижиме предусматривают зуб, влезающий в заготовку и препятствующий течению металла от поверхности раздела.

Точность при вырубке

Под точностью изготовления детали понимается степень приближения её формы и размеров, полученных при изготовлении по заданным чертежам, форме и номинальном размерам.

На точность влияют следующие факторы:

1 Род материала и его состояние;

2 Анизотропия и размеры детали;

3 Конструкция штампа, износ, стойкость пуансона и матрицы, пресса;

4 Зазор и его равномерность.

Отклонения при штамповке не должно превышать допускаемых, которые выбираются по таблицам (зубцов). Стали применяемые при изготовлении штампов разделительных операций ОМД (Васильев и др.).

Матрицы режущие и толкающие пуансоны вырубных, обрезных и отрезанных штампов, а также прошивные и пробивные пуансоны изготавливаются из хромистой среднелегированной стали марок 7Х3 и 8Х3. Реже для этих целей применяются, стали марок 5ХНВ, 5ХНМ, 4ХВ2С, 4ХС или 6ХС.

Матрицы, отрезанные ножи и пуансоны, у которых режущую кромку наплавляют для повышения износостойкости, изготавливают из углеродистой стали 45 и из стали легированной конструкционной 40Х.

Лекция № 12. Вытяжка листового материла. Классификация днищ, материалов и способов их изготовления

Под днищем подразумевается полая листовая деталь разнообразной геометрической формы, являющаяся замыкающим конструктивным элементом емкостной, колонной или теплообменной аппаратуры.

Осе симметричные полые изделия типа днищ разнообразных размеров и форм из различных материалов широко применяются в качестве элементов корпусов химических, нефтеперерабатывающих и криогенных аппаратов, в конструкциях сталеразливочных ковшей и конверторов, в судостроительном, энергетическом и атомном машиностроении.

В зависимости от назначения применяются днища диаметром от 150 до 4500 мм и выше, с толщиной стенки 2-170 мм из различных материалов.

Днища обычно группируют по общности конструктивно-геометрических, технологических и конструктивно-технологических признаков, точностных требований, физико-химических и технологических свойств применяемых материалов.

Исходя из принципиальной структурной схемы днищ по конструктивно-геометрическим признакам, в основу классификации положено допущение о том, что любая листо штампованная деталь может быть представлена одним из конструктивных элементов типа "стенка" или "борт" или их сочетанием.

Характерная особенность днищ - стенка всегда представляет собой незамкнутый контур, а борт - криволинейный замкнутый. В свою очередь, стенка может быть классифицирована на плоскую и криволинейную, однозначной и двузначной кривизны, полного (Н > 0.5D) и неполного (Н <0.5D) контура, а борт - одинарной и двойной кривизны, полного (Н > 0.5D) и неполного (Н < 0.5D) контура.

Общее число типовых групп днищ, предусматриваемых классификацией [2], составляет 278.

По виду криволинейной поверхности стенки днища можно классифицировать следующим образом в соответствии с рисунком 1: с плоским дном (а); сферические (б); куполообразные (в); эллиптические (г); сферообразные с плоским дном, открытые, отбортованные (д, е, ж); конусообразные с плоским дном, открытые, отбортованные (з, и, к); эллипсоидальные с неравными осями в плане (л); гиперболоидные (м); параболические (н); скорлупообразные (о, п); торообразные (р).

Необходимо отметить, что определяющим элементом днища может быть как стенка, так и борт. Это зависит от конструктивного назначения днища.

По конструктивно-технологическим признакам днища могут быть

Рисунок 1 - Классификация днищ по виду криволинейной поверхности стенки квалифицированы:

1) по размерам:

малогабаритные (D_jr < 400 мм); среднегабаритные (D_B = 400-4000 мм); крупногабаритные (D_B > 1000 мм);

2) по относительной толщине стенки днища (So/D_B)*100:

особо толстостенные (So/D_B)-100 = 10.0; толстостенные (So/D_B)-100 = 10.0-5.0; среднестенные (S_o/D_B)-100 = 5.0^1.5; тонкостенные (So/D_B)-100 = 1.5-Ю. 15; особо тонкостенные (So/D_B)-l00 < 0.15;

3) по варианту исполнения днища бывают:

цельноштампованные; штампованные;

4) по точностным параметрам:

невзаимозаменяемые; неполновзаимозаменяемые;

взаимозаменяемые.

В аппаратостроении в основном нашли применение крупногабаритные днища. Поэтому предлагается следующая классификация днищ:

I группа - эллиптические днища по ГОСТ 6533-78;

II группа - днища эллиптической формы, выходящие за пределы ГОСТа по размерам и требованиям;

III группа - эллиптической и эллипсоидальных форм переменного сечения с различного рода отфланцовками;

IV группа - днища сферической и куполообразной форм.

Днища 1-й группы. Как наиболее оптимальные с точки зрения конструктивного назначения широкое применение нашли днища эллиптической формы. Их основные размеры и формы регламентированы ГОСТ 6533-78. Отклонения от номинальных размеров предусмотрены ОСТ 26-291-79.

Днища 2-й группы. Эллиптические днища, выходящие за пределы ГОСТ 6533-78, применяются главным образом для сосудов и аппаратов высокого и сверхвысокого давления, а также для сосудов специального назначения, например, для реакторов химической промышленности, атомных электростанций и котлов высокого давления.

Днища подобной конфигурации отличаются друг от друга главным образом по толщине, диаметру, высоте и материалу. При проектировании технологических процессов для днищ этой группы обязательно моделирование процессов.

Днища 3-й группы. Эллиптические днища переменного сечения в основном применяются для толстостенных сосудов высокого давления, имеющих относительно большую высоту, например, для реакторных колонн. Представителем этой группы являются днища для котлов высокого давления.

У этой группы днищ более жесткие требования к размерам и форме поверхности.

Днища IV-й группы, К этой группе относятся сферические днища, применяющиеся в котлостроении, химическом и нефтяном машиностроении, при изготовлении сосудов высокого давления и в конструкциях, где имеют место гидростатическое давление, а также в тех случаях, когда нужно обеспечить сопротивление удару под различными углами атаки.

Характерной чертой данной группы днищ является то, что с увеличением размеров возможно образование утонения стенки/в связи с чем необходимо в конкретном случае подбирать оптимальные параметры процесса штамповки математическим методом, то есть задаваться определенными данными и находить оптимальные решения.

12.1 Способы изготовления днищ

Существуют следующие способы изготовления днищ; штамповка днищ на прессах; обкатка роликом; импульсная штамповка;

1) взрывная;

2) электрогидравлическая;

3) магнитная;

4) гидроимпульсная; ротационная отбортовка; поэлементная штамповка.

Наиболее распространенным и экономичным способом, особенно при крупносерийном производстве, является штамповка днищ на пресах.

В настоящее время в России ,странах СНГ и за рубежом около 95% днищ изготавливают штамповкой-вытяжкой в холодном и горячем состоянии и обкаткой роликом в холодном и горячем состоянии.

При холодной штамповке получают днища высокой точности с более узкими полями допусков на размеры, меньшим расходом металла, большим сроком службы штамповой оснастки, значительно меньшим утонением, определяемым преимущественно величиной и характером воздействия сил внешнего трения на заготовку, меньшей по сравнению с горячей штамповкой трудоемкостью вспомогательных процессов, высокой чистотой поверхности деталей. Недостатки холодной штамповки днищ на прессах:

значительная упругая отдача штампуемого материала;

потребность в более мощном прессовом оборудовании;

необходимость введения в технологический процесс операции промежуточной термообработки для снятия упрочнения материала в результате холодного деформирования, а также окончательных термообработок с целью снятия внутренних напряжений, получения однородной структуры материалов днищ;

необходимость применения высокостойких дорогостоящих инструментальных сталей для изготовления штамповой оснастки.

Горячей штамповкой изготавливают днища любой толщины при пониженном сопротивлении штампуемого материала деформированию на прессах относительно низкой мощности в штампах из недорогих сталей, а также получают детали с мелкозернистой структурой и улучшенными механическими свойствами. Недостатки горячей штамповки днищ:

угар металла при нагреве заготовок перед штамповкой, составляющий в отдельных случаях 8-10% от массы заготовки в связи с окислением поверхности заготовки или полуфабриката с образованием окалины;

относительно низкая чистота поверхности деталей;

наличие трещин, надрывов из-за пониженной температуры при окончании штамповки днищ;

значительное утонение зоны днища, не находящейся в контакте на ранних стадиях процесса штамповки с рабочими частями штамповой оснастки;

недостаточная точность по диаметру из-за усадки, зависящей от температуры конца штамповки заготовки, постепенного разогрева рабочих частей штампов, колебаний исходной толщины плоской заготовки, неравномерности температуры на поверхности заготовки;

необходимость специальной оснастки в связи с различными значениями коэффициента термического расширения (сжатия) для каждой марки штампуемого материала.

Преимуществами взрывной штамповки являются [3]:

возможность штамповки днищ практически любого профиля, в том числе изделий переменного сечения и больших размеров;

отпадает необходимость в изготовлении пуансона, в связи с чем значительно изменяются допуски на сопряженные рабочие размеры матрицы по пуансону;

не требуются крупногабаритные, дорогостоящие мощные прессовые установки со сложной энергосистемой;

кратковременность цикла обеспечивает штамповку деталей в холодном виде;

появляется реальная возможность штамповать некоторые термообра-ботанные материалы без заметного изменения их твердости;

размеры получаются более точные, чистота поверхности значительно лучше. Если последующей термообработки не требуется, то можно избежать коробления, образования окалин и т.д.

Наряду с положительными особенностями штамповка взрывом имеет и недостатки:

значительно ниже производительность по сравнению с горячей штамповкой;

необходимо иметь изолированные помещения с соблюдением строгих правил техники безопасности;

возможность появления микротрещин в толще металла;

необходимость последующей термообработки, которая практически снимает все достоинства взрывной штамповки при серийном производстве;

растут сроки подготовки производства и издержки производства.

12.2 Влияние трения и смазки при пластической деформации

Внешним трением называют такое явление, когда при перемещении одного тела по поверхности другого возникает сопротивление движению.

Различают два вида трения: качения и скольжения. Для процессов ОМД характерно трение скольжения.

При взаимодействии деформируемой заготовки с инструментом на контактных поверхностях возникают силы трения, которые оказывают исключительно большое влияние на силовой режим деформации, характер формоизменения, износ инструмента, качество деталей.

Трение в процессах обработки металлов давлением имеет свои особенности.

Для осуществления деформации металла при наличии трения необходимо Приложить усилие больше требуемого естественной прочности металла в данных условиях, т.е. сопротивления деформации. Как правило, чем больше трение, тем большее усилие нужно для деформации и тем больше расход энергии на деформацию.

Используя различные способы снижения сил трения, можно уменьшить усилие деформации в 5...10 раз, а износ в 100...1000 раз.

Трение приводит к износу и неравномерной выработке инструмента как в результате непосредственно износа, так и вследствие нагрева. Дефекты инструмента портят поверхность металла.

Трение является одной из причин неравномерности деформации. Трение создает или усиливает неоднородность деформации. В частях деформированного тела, расположенных вблизи поверхности действие сил трения, затрудняющих

деформацию, больше, чем в частях, удаленных от контакта с инструментом. Условия контактного трения могут коренным образом изменять характер формоизменения при деформации с двумя степенями свободы течения металлов. Например, осадка кольцевой заготовки на шероховатых бойках приводит к уменьшению диаметра отверстия, а осадка на гладких смазанных бойках - к его

I увеличению.

Контактное трение вызывает необходимость применения смазок. Это услож- -^г няет технологический процесс.

Однако однозначно сказать, что трение в процессах обработки металлов давлением играет только отрицательную роль нельзя. При полном отсутствии трения невозможно осуществить такой процесс как прокатили в некоторых случаях проводят мероприятия, повышающие трение. Трение во многих процессах обеспечивает состояние всестороннего сжатия.

Влияние контактного трения на процесс штамповки толстолистовых изделий сказывается не столько на увеличении необходимого усилия, сколько на качестве отштампованной детали. В случаях плохо подобранной смазки, неправильного контакта инструмента с деформируемой заготовкой на поверхности готового изделия появляются надиры с глубокими рисками, наволакивание и сдвиги металла, утонения, рванины и даже разрыв сплошности, что приводит к браку. Вместе с aтем иногда контактное трение крайне необходимо для устранения возможности появления бухтовин, складок и тому подобных дефектов.

Величина коэффициента трения определяется главным образом состоянием поверхности деформируемой заготовки и инструмента, температурно-скоростным режимом при штамповке заготовки, физико-химическим составом последнего, зазором между матрицей и пуансоном, смазочным материалом, применяемым при смазке. Кратко рассмотрим влияние каждого фактора.

При определении влияния контактных поверхностей следует учитывать их физико-химическое и механическое состояния. В результате взаимодействия соприкасающихся поверхностей под большим давлением происходит возбуждение элементарных касательных сил в каждой точке, появляются касательные напряжения на всей контактной поверхности, направленные в сторону, противоположную действию деформирующих сил. Совершенно очевидно, что распределение сил трения на контактной поверхности неравномерное, вследствие чего появляется неоднородность деформации. Это нарушает степень упрочнения и разупрочнения в различных точках контактирования, что приводит также к неоднородности их действия и в конечном итоге к изменению схемы напряженного состояния. Усилие деформирования может увеличиться в несколько раз. В результате преодоления контактного трения значительно повышается температура, что очень плохо влияет на инструмент и значительно повышает его износ. Основной фактор, вызывающий увеличение трения, - состояние поверхности рабочего инструмента, в особенности в местах соприкосновения инструмента с изделием при максимальных скоростях движения и давлении последнего. Например, в вытяжных штампах максимальная величина контактного трения всегда находится на вытяжном ребре матрицы. Поэтому качество обработки поверхности, качество материала имеет первостепенное значение.

Необходимо поверхности тщательно шлифовать вдоль движения заготовки и производить упрочнение поверхности методом накатки или дробеструйной обработки.

Е.П. Унксов установил, что состояние контактной поверхности деформируемого тела имеет большое значение в начальной стадии деформирования, так как при последующем деформировании горячего металла его поверхность сглаживается, и контактное трение резко снижается.

Физико-химическое состояние поверхности имеет существенное значение. Особенно увеличивается коэффициент трения тогда, когда поверхность загрязняется окислами, появляется науглероженный слой, или когда у некоторых металлов, например у титановых сплавов, появляется при нагреве так называемый альфированный слой.

Вместе с тем многими исследователями установлено, что очень тонкие поверхностные окислы благоприятно влияют на снижение коэффициента трения и только с увеличением толщины пленки могут увеличивать величину трения.

На величину коэффициента трения также значительно влияет температура деформации.

Исследования И.М. Павлова и других ученых показали, что при холодной деформации коэффициент трения наименьший; при повышении температур деформации до определенного предела коэффициент трения быстро возрастает, а затем снижается.

В.П. Северденко и Е.С. Воячек установили два максимума при деформировании углеродистых сталей - при температуре 450 - 500° С и 900 - 1050° С. Это явление В.П. Северденко объясняет фазовыми изменениями окалины.

Е.П. Унксов объясняет снижение за вторым максимумом коэффициента трения увеличением пластичности и падением напряжения текучести при высоких температурах. Скорость скольжения металла по поверхности штампа также оказывает влияние, т. е. при ее увеличении коэффициент трения на контактной поверхности снижается до 20 - 25%.

Таким образом, при выборе технологического процесса горячей штамповки необходимо учитывать все факторы, влияющие на коэффициент трения на контактных поверхностях. В начале процесса необходимо коэффициент трения на контактной поверхности заготовки и фланца иметь максимальным, а когда заготовка начнет контактироваться с вытяжным ребром, коэффициент трения должен иметь минимальную величину, равно как и при последующем движении заготовки по рабочей поверхности матрицы.

Лекция № 13. Проектирование технологического процесса изготовления горяче штампованных заготовок базовых деталей аппаратуры

Наряду с тщательной разработкой методов расчета конструкций на прочность с целью уменьшения металлоемкости и увеличения долговечности за счет равномерной работоспособности всех ее элементов также необходима разработка четкой методики создания этих конструкций с технологической точки зрения. Таким образом, расчет конструкций на прочность и долговечность и расчет технологического процесса изготовления их должен быть единым процессом.

Полный объем проектной документации технологического процесса горячей вытяжки днищ включает:

технологические условия на днище с учетом требований конструкторского расчета, особенностей процесса горячей вытяжки и экономических соображений (анализ технологичности);

перечень основных, вспомогательных операций и последовательность их выполнения;

технологические расчеты размеров заготовки, днища и силовых параметров процесса штамповки;

выбор конструктивной схемы и расчет основных параметров штамповой оснастки;

проектирование с подетальным конструированием штампа, измерительного и контрольного инструмента, различных вспомогательных устройств;

выбор необходимого прессового оборудования;

проектирование штампа для моделирования процесса штамповки (если нет перечня материалов из отраслевого института по опыту штамповки днищ данного типоразмера);

раскройные карты листа заготовок, материальные нормативы необходимых затрат на весь технологический процесс;

кооперационные и суммарные нормы времени, необходимые для проведения работ по технологическому процессу.

13.1 Анализ технологичности формы и конструктивных элементов днищ

Под технологичностью днищ подразумевается такое сочетание формы и конструктивных элементов, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное их изготовление (в условиях данной серийности производства) при соблюдении технических и эксплуатационных требований к днищам.

Организация на машиностроительных заводах системы контроля чертежей деталей днищ на технологичность позволяет обеспечить снижение трудоемкости основных и вспомогательных операций изготовления детали, уменьшить затраты на амортизацию и эксплуатацию штамповой оснастки, сэкономить материалы, снизить сроки подготовки производства, уменьшить номенклатуру деталей из-за их унификации и нормализации.

В качестве критерия технологичности конструкции можно изпользо-вать технологическую себестоимость днища. Чем меньше себестоимость, тем выше технологичность.

К технологичности формы и взаимного расположения различных элементов днища можно отнести:

максимальную простоту контура детали в плане (днища, применяющиеся в аппаратостроении, наиболее технологичны - имеют форму круга; менее технологичны - овал, эллипс и т.д.);

наименьшую возможную конструктивно относительную глубину детали H/D_B (днища по ГОСТ 6533-78 изготавливаются в основном за I проход, т.е. имеют наиболее технологичное отношение H/D_B=0,25);

максимальную простоту контура сечения детали в плоскости, проходящей через ось симметрии;

расположение осей симметрии отбортованных отверстий, рельефов нормально криволинейной поверхности днища.

Технические условия на горячештампованные днища диктуются конструкторскими требованиями и нормируются ГОСТ 6533-78, кроме групп эллиптических днищ, указанных выше.

13.2 Выбор метода и способа штамповки

Под методом штамповки подразумевают общий принцип построения процесса, основанный на выборе вида среды рабочих частей штампов -твердой, газообразной, смешанной.

Способ штамповки - это система силового воздействия на плоскую или пространственную заготовку в процессе ее формообразования независимо от вида среды рабочих частей штампов и других признаков.

Классификация методов штамповки днищ по виду среды рабочих частей штампов предусматривает девять классов [2]:

штамповка жестким пуансоном по жесткой матрице;

штамповка газовым пуансоном или магнитным полем по жесткой матрице;

штамповка смешанным пуансоном по жесткой матрице;

штамповка жестким пуансоном по газовой матрице, магнитному полю;

штамповка газовым пуансоном, магнитным полем по газовой матрице, магнитному полю;

штамповка смешанным пуансоном по газовой матрице, магнитному полю;

штамповка жестким пуансоном по смешанной матрице;

штамповка газовым пуансоном, магнитным полем по смешанной матрице;

штамповка смешанным пуансоном по смешанной матрице.

Примерное соотношение количества днищ в химическом и нефтяном машиностроении, изготавливаемых различными методами, следующее: в жестких штампах - 95%; с использованием газового пространства - 4% и магнитного поля - 1%. При горячей штамповке на предприятиях аппарато-строения наибольшее распространение нашел первый метод, который и будет в дальнейшем рассматриваться.

В зависимости от формы исходной заготовки бывают способы штамповки:

из плоской заготовки;

из пространственной.

В зависимости от количества штампуемых заготовок способы штамповки подразделяются на:

однослойную;

многослойную.

В зависимости от температуры заготовки существуют способы:

горячая;

полугорячая;

с местным подогревом.

В зависимости от характера приложения деформирующих сил подразделяются на:

штамповку с жестко защемленным фланцем заготовки;

штамповку с интенсивно-перемещающимся фланцем заготовки;

штамповку без подпора стенки заготовки;

штамповку с подпором стенки заготовки.

В зависимости от толщины заготовки:

без прижима фланцевой части заготовки;

с прижимом фланцевой части заготовки.

Каждый из проведенных методов и способов штамповки может осуществляться по различным технологическим схемам:

прямой;

с предварительным набором металла - ступенчатым;

с кольцевыми ребрами жесткости;

реверсивной.

Технологические схемы горячей штамповки с учетом необходимой термообработки классифицируются следующим образом.

1. Однопереходная (вытяжка днища осуществляется в результате однократного деформирования заготовки):

без окончательной термообработки; с окончательной термообработкой.

2. Много переходная (вытяжка осуществляется последовательно в результате деформирования заготовки за несколько переходов):

с промежуточной меж переходной и окончательной термообработкой;

с промежуточной меж переходной, но без окончательной термообработкой;

без промежуточной меж переходной, но с окончательной термообработкой;

без промежуточной меж переходной и окончательной термообработки.

3. Много переходную по участкам, при которой сначала деформируются отдельные участки вдоль кромки заготовки, а затем последовательно по направлению к центру - кольцевые участки заготовки (с вышеуказанными возможными вариантами термообработки).

В зависимости от изменения механических свойств в процессе штамповки, делятся на:

без термо упрочнения;

с термо упрочнением.

В зависимости от количества одновременно штампуемых заготовок:

однослойную;

многослойную.

Методы, способы технологических схем горячей вытяжки днищ не исчерпываются приведенными и будут развиты дальнейшими исследованиями в области принципиально новых и традиционных процессов штамповки днищ.

Лекция 14. Расчёт основных технологических параметров изготовления штампованных заготовок

Штампованные заготовки производят объемной и листовой штамповкой. Объемная штамповка по характеру воздействия на металл близка к свободной ковке и выполняется как горячая операция, при которой пластическая деформация металла происходит в трех измерениях (по длине, ширине, толщине). Отличительной особенностью объемной штамповки по сравнению со свободной ковкой является необходимость специального штампа [26]. Наличие штампа позволяет выполнять заготовки сложной геометрической формы и высокой точности. Однако необходимость изготовления специального штампа, нередко нескольких, зачастую сложна и дорога, что делает объемную штамповку рентабельной только в серийном и массовом производстве. Расчет припусков и допусков при изготовлении штамповки методически подобен аналогичным расчетам при свободной ковке. Поэтому подобные расчеты в данном разделе не рассматриваются.

Отдельную группу штампованных заготовок представляют заготовки из листового металла. Листовой металл широко используется для штампованных заготовок. При изготовлении заготовок из листа используют различные приемы кузнечнопрессовой технологии, например, вырубку, вытяжку, пробивку отверстий, просечку, отбортовку и др.

Размеры цельноштампованных заготовок определяются, с одной стороны, чертежом детали, с другой стороны - возможностью их выполнения из стандартного листового металла. Сортамент горячекатаной листовой стали (ГОСТ 19903-74), наиболее часто применяемой для заготовок в нефтехимическом машиностроении, довольно широк. Им предусмотрено изготовление листов толщиной от 0,5 до 160 мм, шириной от 600 до 3800 мм, длиной от 1200 до 12000 мм.

Одной из задач в технологии листоштамповочного производства является оптимальный выбор размеров листового проката для данной заготовки. В понятие оптимизации в данном случае включено минимальное, в пределе допустимого, количество отходов стали и минимальная стоимость обработки заготовки.

Штампо-листовые заготовки, если позволяет мощность кузнечнопрессового оборудования и физико-механические свойства обрабатываемого металла, изготавливаются без предварительного нагрева металла, т.е. вхолодную. Обычно его заготовки сравнительно простой геометрической формы и небольшой толщины (до 6-8 мм).

При увеличении толщины листа возрастает усилие штамповки и, кроме того, значительно возрастают напряжения, связанные с явлением наклепа металла при холодной пластической деформации. Чтобы понизить усилие штамповка и устранить наклеп металла, применяют предварительный нагрев листовой заготовки и штамповку выполняют в горячую.

Рис. 47. Сферическое днище

Одним из видов листо-штампованных заготовок в нефтехимическом машиностроении, выпускаемых серийно, являются заготовки днищ сосудов и аппаратов.

Рассмотрим наиболее часто применяемые сферические и эллиптические днища, геометрическая форма и размеры которых стандартизированы.

На рис. 47 показан чертеж сферического днища в разрезе, на рис. 48 - чертеж эллиптического днища в разрезе.

Изготовление сферических и эллиптических цельноштампованных днищ основано на глубокой вытяжке листового металла, при которой первоначальная толщина листа остается неизменной во всех сечениях днища.

Геометрически эллиптическое или сферическое днище представляет собой тело вращения выпуклой формы.

Рис. 48. Эллиптическое днище

Рис. 49. Расположение сварных швов:

с - расстояние от оси днища до сварного шва должно быть не более 1/5 диаметра днища; N - сварные швы, допускаемые на днищах только у высоколегированных сталей

Первой технологической задачей при штамповке днищ является определение диаметра развертки днища на плоскость с тем, чтобы можно было вырезать из листа соответствующий круг.

Следующей технологической задачей является выбор оборудования для выполнения штамповки.

Выбор оборудования связан с величиной усилия штамповки. При расчете усилия, необходимого для выполнения горячей штамповки, большую роль играет температура, точнее температурный интервал штамповки. Как уже отмечалось, нагрев металла выполняется, в частности, чтобы избежать остаточных напряжений в штамповке.

Для этого процесс штамповки должен быть окончен при температуре, при которой у_т металла близок к нулю.

Для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с достаточной для практических целей точностью минимальная температура металла в конце штамповки может быть принята равной 700 °С для толщины металла 5 до 20 мм, при большей толщине заготовки расчетную температуру увеличивают (см. табл. 3).

Таблица 3

Толщина днища, мм	Расчетная температура заготовки Т, °С	Предел прочности увt металла заготовки при Т,°С, (расчетной температуры) кг/мм2
до 20	700	9,2
от 21 до 40	750	8,4
от 41 до 60	800	5,8
от 61 до 80	850	5,1
от 61 до 100	300	4,5

Усилие, необходимое для горячей штамповки днища, определяется по формуле

, (7.1)

где Р - усилие штамповки, т;

n - коэффициент, учитывающий упрочнение металла и силы трения в штампе;

у_в^t - предел прочности металла заготовки при расчетной температуре кг/мм²;

D - диаметр заготовки для днища, мм;

D_ср - средний диаметр готового днища, мм;

S - толщина, мм.

Весьма важным в производстве днищ является раскрой листового металла, вырезка круглой заготовки: рациональный раскрой листовой стали включает в себя подбор размеров листа с таким расчетом, чтобы отходы металла были минимальными. Это удается выполнить, если ширина листа и диаметр заготовки равны по величине. Для днищ, диаметр которых более 3000 мм, нередко приходится вырезать заготовку по частям, затем эти части сваривать между собой для получения круга. Отраслевой стандарт для сварных заготовок предусматривает возможное расположение сварных швов (см. рис. 49).

В соответствии с указанными требованиями к данным о сортаменте листовой стали ГОСТ 19903-74 разрабатываются варианты раскроя заготовка днища. Затем, в зависимости от марки стали, толщины листа и количества заготовок выбирается способ резания: на ножницах или термической резкой.

Пример расчета основных технологических параметров изготовления штампованных днищ

Расчет технологических параметров осуществляется на примере изготовления 50 штук эллиптических днищ размером D_в = 1200 мм, Н_в = 300 мм. S = 12 мм, h = 40 мм из стали состава, %: 0,23 С, 0,35 Si, 1,29 Mn.

Выбор рациональных вариантов раскроя

По ГОСТ 19903-74 подбирается лист, размеры которого по ширине близки к диаметру D.

Стандартная ширина листа, из которого можно вырезать цельный круг, равна 1600 мм, длина листа при этом может быть в пределах от 3000 до 12000 мм. По заданию требуется наготовить 50 днищ, следовательно, длина листа должна быть такой, чтобы были минимальные отходы. Например, при длине листа 7600 мм на него можно вырезать 4 заготовки. Определяются отходы в % (при этом варианте раскроя).

Отходы в % можно определить по формуле

Оценивая процент отходов, следует признать его высоким.

Подыскивается другой вариант раскроя. Очевидно, что при вырезке из листа цельного круга процент отходов будет не менее 27, поэтому во втором варианте раскроя используем раскрой сварной заголовки днища, например, такого, как показано на рис. 3.4. Для нашего круга величина С может быть в пределах до (1/5)*1600 = 304 мм. Принимаем С равным 300 мм, тогда размеры частей круга будут такими, как показано на рис. 3.4.