Основы теории штамповки выдавливанием на прессах

Овчинников А. Г.

Машиностроение, 1983 г.

В зависимости от характера течения металла в процессе штамповки выдавливанием можно выделить несколько технологических операций, применение которых (последовательно или одновременно) позволяет получить то большое многообразие поковок, штампуемых выдавливанием из сортового проката, которое необходимо для удовлетворения нужд производства.

Прямое выдавливание (прессование) —технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла 2, заключенного в замкнутую полость (контейнер 3), в направлении движения рабочего инструмента 1 через отверстие (очко матрицы), форма которого определяет поперечное сечение выдавливаемой части деформируемой заготовки (рис. 1.2, а, б). Прямое выдавливание применяют для получения сплошных поковок, форма которых соответствует стержню с утолщением на одном конце (например, поковок тарельчатых клапанов, шаровых пальцев, ступенчатых валов и др.), а также труб. В последнем случае в качестве исходной заготовки для выдавливания может быть использована труба (полая заготовка), которая насажена па оправку 4.

В процессе прямого выдавливания па стационарной стадии только часть заготовки, расположенная в воронке матрицы и вблизи нее, деформируется пластически. Для прямого выдавливания необходимо перемещение недеформируемой части заготовки относительно стенок контейнера. Это означает, что для преодоления сил контактного трения, возникающих на боковой поверхности контейнера и заготовки, следует приложить дополнительные силы и затратить дополнительную работу. По ходу выдавливания поверхность заготовки, на которой действуют силы трения, уменьшается, соответственно уменьшается сила, необходимая для ведения процесса.

Редуцирование — технологическая операция (разновидность прямого выдавливания), которая характеризуется тем, что схема напряженного состояния в поперечных сечениях стержня, расположенных выше и ниже очага пластической деформации, является одноосной и нормальное напряжение не превышает напряжение текучести (рис. 1.2, в). Это условие позволяет проводить редуцирование без использования контейнера, но накладывает ограничение на коэффициент редуцирования, который не может быть больше определенного значения, обусловленного длиной редуцируемого стержня, материалом а другими факторами.

Обратное выдавливание — технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла из замкнутой полости в направлении, обратном (встречном) движению рабочего инструмента, в зазор между пуансоном и матрицей со скоростью v или через отверстие в движущемся рабочем инструменте (рис. 1.3). Пуансон перемещается со скоростью г0, а скорость матрицы г>2 = 0. Обратное выдавливание применяют для изготовления поковок с полостями типа стаканов (например, поковки корпуса карданного подшипника, толкателя клапана, поршневого пальца и др.).

В процессе обратного выдавливания, как правило, не весь объем заготовки находится в пластическом состоянии. Недеформируемый объем заготовки, расположенной под торцом пуансона, неподвижен относительно стенок матрицы. Благодаря этому для установившейся стадии обратного выдавливания деформирующая сила постоянна. Поперечное сечение полой поковки может быть цилиндрическим, сферическим, коническим, прямоугольным и др., от чего зависят характер течения металла при выполнении ОПЕРАЦИИ и предельная глубина полости, получаемой за один переход.

Боковое выдавливание — технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстия в его боковой поверхности, а боковые полости (рис. 1.4). Боковое выдавливание применяют для изготовления поковок с боковыми отростками (например, поковок крестовины карданного вала, корпуса газосварочной аппаратуры [32], втулок с фланцами и др.).

Радиальное выдавливание — технологическая операция, в процессе которой происходит истечение металла из замкнутой полости (контейнера) через щель, расположенную по периметру боковой поверхности, в кольцевую полость (рис. 1.5). Радиальное выдавливание применяют для изготовления поковок с фланцами (например, поковок звездочки шестерни, крышки и др.) [29].

Характер течения металла в указанных выше основных операциях штамповки выдавливанием обусловлен многими факторами, в частности, в операциях прямого и обратного выдавливания направлением сил трения, которые могут способствовать течению или создавать дополнительное сопротивление. Направление сил трения влияет не только на силовые и энергетические параметры процессов выдавливания, но и на равномерность распределения деформаций в поковке, что определяет характер распределения и величины остаточных напряжений. Применение последующей термической обработки для снятия остаточных напряжений удорожает себестоимость поковок и приводит к включению в технологический процесс дополнительных отделочных операций. Разработка схем выдавливания с активным действием сил трения не только повышает стойкость инструмента, но и способствует улучшению качества поковок. В некоторых случаях изменение направления сил трения позволяет существенно повысить эффективность выдавливания, что будет показано ниже. На рис. 1.6 приведена схема обратного выдавливания тонкостенных стаканов с фланцами.

Заготовку осаживают между двумя пуансонами при их постепенном опускании; в результате выдавливаемый из-под торцов пуансонов металл образует стенку стакана. При этом на боковой контактной поверхности между заготовкой и матрицей возникают силы трения, направленные вверх. Такое действие сил трения называют активным. Эта схема выдавливания в некоторой степени напоминает схему чистовой вырубки.

В условиях бокового и радиального выдавливания .характер свободного течения металла в боковые полости зависит от условий деформирования — одностороннего или двустороннего. В случае одностороннего деформирования форма выдавливаемого бокового отростка или фланца не симметрична относительно его срединной поверхности. В случае двустороннего деформирования сохраняется симметрия форм, как и в случае простой осадки. Характер течения определяет различия в распределении деформаций, остаточных напряжений, в величинах силовых и энергетических параметров.

На рис. 1.7 приведен пример поковки, полученной штамповкой выдавливанием, которая включает последовательное выполнение редуцирования и радиального выдавливания. Для изготовления таких поковок необходимы определенные ограничения. Так, в данном случае для изготовления ступенчатого стержня с фланцем необходимо, чтобы в начале штамповки произошло редуцирование, а потом радиальное выдавливание.

Для получения полого стакана с ребрами необходимо боковое и, на заключительной стадии, обратное выдавливание. Классификация поковок, получаемых штамповкой выдавливанием, приведена в работах [5, 19, 29].

Штамповку выдавливанием применяют для получения поковок преимущественно из низкоуглеродистых к низколегированных сталей, в некоторых случаях из среднеуглеродистых. Прочностные характеристики металлов и сплавов являются решающим фактором, определяющим пригодность к холодной штамповке выдавливанием. Как правило, наибольший предел прочности на разрыв материала, пригодного для выдавливания в состоянии поставки, не должен превышать 600 МПа. Во многих случаях пригодность материала к холодной штамповке выдавливанием оценивают твердостью, которая в состоянии поставки должна быть 230 НВ. Показано [47], что повышение с 0,1 до 0,3% углерода в сталях приводит к увеличению удельной деформирующей силы выдавливания примерно на 25%. Режимы термической обработки для разных сплавов приведены в работе [47], согласно которым для среднеуглеродистых сталей необходима наиболее полная сфероидизация цементита. Размер зерен определяется, как правило, эксплуатационными свойствами деталей. Сопротивление деформированию сплавов с крупнозернистой структурой рассмотрено ниже.

1.2. ПОДГОТОВКА ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ

Для успешного применения штамповки выдавливанием важен правильный выбор смазочного материала, который должен способствовать снижению удельной силы выдавливания и повышению качества поверхности. Смазочный материал должен быть достаточно прочным, пластичным и термостойким, чтобы обеспечить разделение поверхностей инструмента и деформируемой заготовки в процессе деформирования. При выдавливании сплавов меди в качестве смазочных материалов используют графит с индустриальным маслом, а при выдавливании алюминия—минеральное масло или графит. Недостаток первого — выдавливается с контактной поверхности, а второго — ухудшает внешний вид поковки. Если требуется получить полированную поверхность алюминиевых поковок, то выдавливание осуществляют без смазки.

На производстве для холодного выдавливания углеродистой стали используют покрытия фосфатом цинка с последующим омыливанием. Технология фосфатированвя стальных заготовок разработана в ЭНИКмаше [5, 47]. Стали, легированные никелем, и коррозионно-стойкие, оксалатируют [42]. Толщина фосфатного слоя зависит от качества подготовки поверхности стали, предназначенной для холодной штамповки выдавливанием, удельной силы выдавливания, температурно-скоростных условий, величины деформации. Наименьшая толщина фосфатного слоя 10 мкм, наибольшая 50 мкм.