СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКОВОК БЕЗ ШТАМПОВОЧНЫХ УКЛОНОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ С КОЛЬЦЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
METHOD OF FORGING PIECES WITHOUT FORMING TAPER FOR PARTS WITH ANNULAR ELEMENTS

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано, в частности, при объемной штамповке поковок типа шестерен, фланцев, толстостенных колец и втулок.
Известен способ получения поковок без штамповочных уклонов для деталей с кольцевыми элементами, заключающийся в объемной штамповке посредством верхней части формообразующего штампа полуфабриката, имеющего, по крайней мере, один кольцевой элемент конической формы, формируемый в нижней части формообразующего штампа, последующей калибровке конической поверхности кольцевого элемента посредством калибрующего штампа и выталкивании поковки. Реализация способа позволяет получать поковки без штамповочных уклонов, что повышает их качество и снижает расход металла в связи с отсутствием названных уклонов (Ковка и штамповка: Справочник. В 4 тт. Т.2. / А.П.Атрошенко, Н.С.Зиновьев, М.А. Крючков и др.; под ред. Е.И. Семенова. - М.: Машиностроениие, 1986. - с.41, рис.8).
Недостатками известного способа являются повышенные трудоемкость и себестоимость получения поковки, так как процесс осуществляют в двух штампах - формообразующем и калибрующем.
3
Известен способ получения поковок без штамповочных уклонов для деталей с кольцевыми элементами, заключающийся в объемной штамповке посредством верхней части формоизменяющего штампа, содержащего также нижнюю часть с деформирующим инструментом, полуфабриката, имеющего, по крайней мере, один кольцевой элемент в виде отрезка конической трубы, выталкивании поковки из полости матрицы и последующей калибровке в калибрующем штампе. В процессе калибровки торцевой участок кольцевого элемента подвергают дополнительной пластической деформации воздействием равномерно распределенными по кругу радиальными деформирующими усилиями, прикладываемыми в направлении, противоположном первоначальному. В результате воздействия деформирующего инструмента кольцевые элементы поковки обжимаются или раздаются, при этом снимаются штамповочные уклоны, что повышает качество поковок (авторское свидетельство СССР 719775, М.кл. B21J 13/02). Это техническое решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбрано в качестве прототипа.
Основным недостатком описанного способа получения поковок без штамповых уклонов для деталей с кольцевыми элементами является повышенные трудоемкость и себестоимость изготовления поковок в связи с необходимостью для их производства использовать два штампа: формоизменяющий и калибрующий.
В основу изобретения поставлена задача снижения трудоемкости и себестоимости изготовления поковок без штамповочных уклонов, получаемых посредством предложенного способа.
Для решения поставленной задачи в способе получения поковок без штамповочных уклонов для деталей с кольцевыми элементами, заключающемся в объемной штамповке посредством верхней части штампа полуфабриката, имеющего, по крайней мере, один кольцевой элемент конической формы, формируемый в нижней части штампа, последующей калибровке полуфабриката воздействием деформирующего усилия на кольцевой элемент и выталкивании поковки, согласно изобретению участок конической поверхности кольцевого элемента, примыкающий к поверхности разъема штампа, выполняют в виде кольцевого выступа с двусторонними уклонами по условию
выт
в
P>Т,
выт
где Р - усилие выталкивания полуфабриката из нижней части штампа в процессе деформирования кольцевого выступа;
в
Т - сила трения, удерживающая полуфабрикат в верхней части штампа, путем размещения между двусторонними уклонами кольцевого элемента объема металла, равного объему номинального припуска на кольцевом элементе поковки, и формирования диаметров оснований кольцевого элемента со стороны верхней и нижней частей штампа равными соответственно номинальным диаметрам поковки и готовой детали. Калибровку полуфабриката осуществляют редуцированием в процессе выталкивания его из нижней части штампа с приложением к кольцевому элементу деформирующего усилия в направлении, противоположном действию усилия штамповки полуфабриката.
Снижение трудоемкости и себестоимости изготовления поковок без штамповочных уклонов обусловлено осуществлением процесса штамповки и калибровки поковки в одном штампе за один рабочий ход пресса.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан момент окончания объемной штамповки полуфабриката; на фиг.2 - момент калибровки кольцевого элемента редуцированием в процессе выталкивания полуфабриката из нижней части штампа; на фиг.3 - поковка после калибровки кольцевого элемента; на фиг.4 - момент окончания объемной штамповки полуфабриката для детали с двумя кольцевыми элементами; на фиг.5 - момент калибровки кольцевых элементов редуцированием в процессе выталкивания полуфабриката из нижней части штампа; на фиг.6 - поковка после калибровки кольцевых элементов для детали с двумя кольцевыми элементами.
Способ получения поковок без штамповочных уклонов для деталей с одним кольцевым элементом реализуют следующим образом (фиг.1-3).
В штампе 1, содержащем верхнюю часть 2 и нижнюю часть 3 с установленным в ней выталкивателем 4 объемной штамповкой посредством верхней части 2 штампа получают полуфабрикат 5, имеющий, по крайней мере, один кольцевой элемент 6 конической формы, формируемый в нижней части 3 штампа 1. Участок конической поверхности кольцевого элемента 6, примыкающий к поверхности разъема 7 штампа 1, выполняют в виде кольцевого выступа 8 с двухсторонними уклонами 9 и 10 по условию
выт
в
P>Т,
выт
в
где Р - усилие выталкивания полуфабриката 5 из нижней части 3 штампа 1 в процессе деформирования кольцевого выступа 8; Т - сила трения, удерживающая полуфабрикат 5 в верхней части 2 штампа 1, путем размещения между двухсторонними уклонами 9 и 10 кольцевого элемента 6 объема металла, равного объему номинального припуска на кольцевом элементе 6 поковки, и формирования диаметров оснований 11 и 12 кольцевого элемента 6 со стороны верхней 2 и нижней 3 частей штампа 1 равными соответственно номинальным диаметрам поковки и готовой детали (фиг.1).
Затем осуществляют калибровку полуфабриката 5 редуцированием в процессе выталкивания его из нижней части 3 штампа 1 посредством выталкивателя 4 в направлении, противоположном действию усилия штамповки полуфабриката 5 (фиг.2). В процессе редуцирования объем металла, размещенный между двухсторонними уклонами 9 и 10 кольцевого элемента 6, деформируют калибрующим пояском 13 нижней части 3 штампа 1 и смещают в сторону основания 12 кольцевого элемента 6, образуя номинальный припуск на боковой поверхности 14 кольцевого элемента 6 поковки 15 (фиг.3). В результате получают поковку 15 без штамповочных уклонов.
Реализация способа в случае объемной штамповки полуфабриката для детали с двумя кольцевыми элементами показана на фиг.4-6.
В штампе 16, содержащем верхнюю часть 17 и нижнюю часть 18 с установленным в ней выталкивателем 19 и контрпуансоном 20, объемной штамповкой посредством верхней части 17 штампа получают полуфабрикат 21, имеющий два кольцевых элемента 22 и 23 конической формы, формируемые в нижней части 18 штампа 16. Участки конических поверхностей кольцевых элементов 22 и 23, примыкающих соответственно к поверхностям разъема 24 и 25 штампа 16, выполняют в виде кольцевых выступов 26 и 27 с двухсторонними уклонами соответственно 28 и 29 и 30 и 31 по условию
выт
в
P>Т,
выт
где Р - усилие выталкивания полуфабриката 21 из нижней части 18 штампа 16 в процессе деформирования кольцевых выступов 26 и 27;
в
Т - сила трения, удерживающая полуфабрикат 21 в верхней части 17 штампа 16, путем размещения между двухсторонними уклонами 28 и 29 и 30 и 31 кольцевых элементов 22 и 23 объемов металла, равных объемам номинальных припусков на кольцевых элементах 22 и 23 поковки, и формирования диаметров оснований 32 и 33 и 34 и 35 кольцевых элементов 22 и 23 со стороны верхней 17 и нижней 18 частей штампа 16 равными соответственно номинальным диаметрам поковки и готовой детали (фиг.4).
Затем осуществляют калибровку полуфабриката 21 редуцированием в процессе выталкивания его из нижней части 18 штампа 16 посредством выталкивателя 19 в направлении, противоположном действию усилия штамповки полуфабриката 21 (фиг.5). В процессе редуцирования объемы металла, размещенные между двухсторонними уклонами 28 и 29 и 30 и 31 кольцевых элементов 22 и 23, деформируют калибрующими поясками 36 нижней части 18 штампа 16 и 17 контрпуансона 20, и смещают в сторону оснований 33 кольцевого элемента 22 и 35 кольцевого элемента 23, образуя номинальные припуски на боковых поверхностях 38 кольцевого элемента 22 и 39 кольцевого элемента 23 поковки 40 (фиг.6). В результате получают поковку 40 без штамповочных уклонов на кольцевых поверхностях 22 и 23.
вt
д
д
п
э
ст
ст
Пример. Отштампована опытная партия поковок шестерни из стали 45, предел прочности σ=77 МПа при температуре окончания штамповки Т=900°С. Номинальные диаметры кольцевого элемента, то есть обода шестерни: детали D=90 мм; поковки D=94 мм; высота кольцевого элемента детали и поковки h=30 мм. Диаметр ступицы шестерни d=52 мм; высота ступицы, формируемой в верхней части штампа, h=12 мм (см. фиг 1-3). Расчет параметров штамповки осуществляют в следующем порядке.
1. Определяют номинальный объем припуска, размещаемого между двухсторонними уклонами кольцевого элемента полуфабриката:
2. Устанавливают величину угла уклона α конической поверхности кольцевого выступа, примыкающего к поверхности разъема штампа: 2α=25°, так как при углах 2α≤25-30° кольцевой выступ имеет плавные очертания, что в процессе калибровки редуцированием обеспечивает пластическое смещение элементарных объемов металла кольцевого выступа и исключает образование дефектов в виде зажимов, складок и среза металла (Деордиев А.Т. Обработка деталей редуцированием. - М.: Машгиз, 1960. - с.66, рис.36).
3. Определяют диаметр кольцевого выступа из условия равенства объемов номинального припуска на кольцевом элементе, то есть ободе поковки и кольцевого выступа при двойном угле уклона 2α=25°.
в
В результате расчетов получают диаметр кольцевого выступа по вершине равным D=97 мм, расстояние вершины выступа от поверхности разъема штампа 15 мм.
4. Определяют усилие редуцирования, то есть усилие выталкивания полуфабриката
,
выт
где Р - усилие редуцирования;
р - давление при редуцировании, МПа;
к
2
F - площадь поверхности контакта металла, мм.
Давление при редуцировании и калибровке определяют по формуле (Ковка и штамповка: Справочник / М.Г.Амиров, Е.Г.Белков, К.Н.Богоявленсикй и др.; под ред. Г.А.Навроцкого. - М: Машиностроение, 1987 - с.285, 286):
где µ=0.4 - показатель трения (Ковка и штамповка: Справочник / А.Ю.Аверкиев, Д.И.Бережнова. - М.: Машиностроение, 1985. - с.153, табл.9).
5. Определяют силу трения, удерживающую полуфабрикат в верхней части штампа (А.П.Атрошенко. Горячая штамповка труднодеформируемых материалов / А.П.Атрошенко, В.И.Федоров. - Л.: Машиностроение, 1979. - с.54):
в
где T - сила трения, удерживающая полуфабрикат в верхней части штампа, кН;
п
2
F - площадь поверхностей контакта полуфабриката с верхнй частью штампа, мм;
п
п
α - угол наклона поверхностей к направлению действия усилия штамповки (α=5°).
пол
2
где F - площадь поверхности контакта металла в полости шестерни, мм;
ст
2
F - площадь поверхности контакта металла по внешней поверхности ступицы шестерни, мм;
п
где d - диаметр полости полуфабриката, мм;
ст
d - диаметр внешней поверхности ступицы, мм;
ст
h - высота ступицы, мм.
выт
в
т.е. условие Р>T выполняется.
вт
д
д
п
э
д
п
o
cт
ст
Отштампована так же опытная партия поковок шестерни с двумя кольцевыми элементами из стали 45, предел прочности σ=77 МПа при температуре окончания штамповки Т=900°С. Номинальные диаметры кольцевых элементов, то есть обода шестерни: (детали) D=90 мм; поковки D=94 мм, высота кольцевого элемента 22 детали и поковки, h=30 мм, диаметр отверстия детали d=33 мм, поковки d=30 мм; высота кольцевого элемента 23 детали и поковки h=30 мм. Диаметр ступицы шестерни d=52 мм; высота ступицы, формируемой в верхней части штампа, h=19 мм (см. фиг.4-6).
Расчет параметров штамповки осуществляют в следующем порядке.
1. Определяют номинальные объемы припусков, размещаемых между двухсторонними уклонами соответственно кольцевых элементов 22 и 23 полуфабриката 21:
2. Устанавливают величину угла уклона α конических поверхностей кольцевых выступов, примыкающих к поверхностям 24 и 25 разъемов штампа: 2α=25°.
3. Определяют диаметры кольцевых выступов из условия равенства объемов номинальных припусков на кольцевых элементах при двойном угле уклона 2α=25°.
в
в
В результате расчетов получают диаметры кольцевых выступов по вершинам равными соответственно D=97 мм и d=28 мм, расстояние вершин выступов от поверхностей разъема штампа соответственно 15 мм и 5 мм.
4. Определяют усилие редуцирования, то есть усилие выталкивания полуфабриката
,
выт
где Р - усилие редуцирования, кН;
р - давление при редуцировании, МПа;
к
3
F - площадь поверхности контакта металла, мм
где р' и р" - давления при редуцировании соответственно кольцевых элементов 22 и 23 (фиг.5);
µ=0.4 - показатель трения (Ковка и штамповка: Справочник / А.Ю.Аверкиев, Д.И.Бережнова. - М.: Машиностроение, 1985. - с.153, табл.9).
Площади поверхностей контакта металла на кольцевых элементах металла 22 и 23 соотвественно равны:
Усилия при редуцировании кольцевых элементов 22 и 23 соответственно равны:
Суммарное усилие при редуцировании равно:
в
в
выт
в
Сила трения (Т), удерживающая полуфабрикат в верхней части штампа, рассчитанная по приведенной выше методике, составила Т=252 кН, т.е Р>Т - условие выполняется.
Полученные поковки имели гладкие цилиндрические поверхности кольцевых элементов без заусенцев.
Таким образом, реализация предложенного способа позволяет существенно снизить трудоемкость и себестоимость получения поковок. Кроме того, повышается надежность штампа за счет упрощения конструкции, исключающей устройство механизма выталкивания в верхней части штампа.