Материаловедение

 При объемной  штамповке течение металла ограничивается  стенками штампа. Благодаря этому  оформляется конечная конфигурация  поковки. Деформация распространяется  на весь объем деформируемой  поковки (при ковке течение  металла свободное).

Наряду с объемной применяется листовая штамповка – штамповка изделий из листового материала.

Подавляющее большинство  процессов получения поковок  осуществляется в горячем состоянии  заготовки при температурах 900 - 1200°  С (горячая объемная штамповка -ГОШ) Холодная объемная штамповка выполняется при комнатной температуре. Толщина поковки фактически не меняется, а меняется лишь ее форма.

Серийное производство поковок различными способами объемной штамповки осуществляют на молотах, прессах и горизонтально-ковочных машинах. При штамповке на этом оборудовании может быть использован любой  из основных типов штампов: открытый (штамповка с заусенцем), закрытый (так называемая безоблойная штамповка) и штамп для выдавливания металла.

31. Виды штамповки, их краткая характеристика

Холодная листовая штамповка

Сущность способа  заключается в процессе, где в  качестве заготовки используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свёрнутую в рулон. Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные  плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов  и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолёта, ракеты).

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что  толщина их стенок незначительно  отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка  обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает  предъявлять к материалу заготовки  достаточно высокие требования по пластичности.

При листовой штамповке  чаще всего используют низкоуглеродистую  сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60% Cu, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др. 

Горячая объёмная штамповка

Горячая объёмная штамповка  — это вид обработки металлов давлением, при которой формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента  — штампа. Течение металла ограничивается поверхностями полостей (а также  выступов), изготовленных в отдельных  частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость (ручей) по конфигурации поковки. В качестве заготовок для  горячей штамповки применяют  прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине. Применение объемной штамповки  оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании  этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются  отходы металла, обеспечиваются высокие  точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки. Штамповка в  открытых штампах характеризуется  переменным зазором между подвижной  и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла  – облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов. Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процесс деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя – выступ (на прессах), или верхняя – полость, а нижняя – выступ (на молотах). Закрытый штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема. При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность. 

Валковая штамповка

Валковая штамповка  — формоизменяющая операция обработки  металлов давлением, получения осесимметричных деталей из цилиндрической заготовки путём одновременного действия на неё радиальных и осевых нагрузок. Осевая нагрузка заготовки создаётся за счёт перемещения пуансона, а радиальная — за счёт обкатки её боковой поверхности в роликах или валках. Таким образом, валковая штамповка является способом комплексного локального деформирования, в котором в одном технологическом процессе происходит совмещение одной из основных кузнечных операций — прошивки или осадки с поперечной прокаткой или обкаткой. Валковая штамповка позволяет изготавливать круглые в плане сплошные и полые детали, тонкостенные и толстостенные изделия малых размеров, применяемые в приборостроении, а также крупногабаритные детали с высокой точностью и качеством при технологических усилиях на порядок меньших, чем при традиционных методах объёмной штамповки. Комплексное нагружение очага пластической деформации локальным периодическим воздействием с одновременным воздействием через постоянно фиксируемую зону позволяет получить новый технологический эффект, недостижимый другими методами деформирования. Валковая штамповка способствует улучшению физико-механических свойств обрабатываемого металла, обеспечивает требуемое расположение его волокон, что повышает эксплуатационные свойства получаемых деталей. Относительно низкая стоимость оснастки, незначительное время подготовки производства, возможность быстрой переналадки на другой типоразмер детали, использование оборудования небольшой мощности позволяют применять валковую штамповку как в крупносерийном, так и в средне- и мелкосерийном производствах.

32. Объемная штамповка, краткая характеристика

Объемная штамповка  — вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки  осуществляется пластическим деформиро­ванием заготовки в специальном инструменте — штампе. Полости в верхней и нижней частях штампа называют ручьями штампа.

Штамповка в открытых штампах характеризуется тем, что  полость штампа в процессе деформирования незамкнута.

В течение всего  процесса деформирования между верхним  и нижним штампами существует переменный зазор, который постепенно уменьшается. В него выдавливается металл, образующий по периметру поковки заусенец (облой). Облой необходим для выхода лишнего металла, а также обеспечивает более качественное заполнение полости. Но от этого увеличивается КИМ и при отрезании облоя режется волокно.

Все поковки являются точными отпечатками полости  штампа, а объем заусенца имеет  переменную величину. Это позволяет  не предъявлять особо высоких  требований к точности исходных заготовок  по массе.

Штамповка в открытых штампах наиболее распространена в  настоящее время и производится на различном оборудовании: молотах, механических прессах, гидравлических прессах и т. д. Этот способ применяют  для получения практически всех типов поковок.

В отличие от открытой штамповки, характерной особенностью штамповки в закрытых штампах  является то, что деформация заготовки  осуществляется в закрытой полости  штампа, весь объем металла, находящегося в полости штампа, идет на формообразование поков­ки и ее формирование происходит без вытекания металла в заусенец.

Зазор между подвижной  и неподвижной частями штампа в процессе деформирования постоянный и очень небольшой. Он служит только для создания подвижности одной части штампа относительно другой и предохраняет штампы от заклинивания. Через него в конце штамповки металл может вытекать в торцевой заусенец, что указывает на избыток металла в заготовке. При закрытой штамповке КИМ выше, чем при открытой. Еще один плюс, это то, что сохраняется структура, но страдает точность заготовки.

33. Листовая штамповка, сущность

Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные  плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов  и размерами, составляющими несколько  метров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты). При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей  заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять к материалу  заготовки достаточно высокие требования по пластичности. В качестве заготовки  при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. При штамповке чаще всего используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы и др.

Преимущества  листовой штамповки:

• Возможность получения деталей минимальной массы при заданных их прочности и жесткости;
• Достаточно высокие точность размеров и качество поверхности;
• Сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность;
• Хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

При проектировании технологического процесса изготовления деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными эксплуатационными  свойствами при минимальной себестоимости  и хороших условиях труда.

34. Основные операции листовой штамповки

Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий характерное  изменение формы определенного  участка заготовки.

1. Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах и в штампах. Отрезку чаще применяют как заготовительную операцию для разделения листа на полосы заданной ширины.
2. Вырубка – операция, при которой оформляют наружный контур детали или заготовки для последующего деформирования.
3. Пробивка – операция, при которой оформляют внутренний контур детали (изготовление отверстий). Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическим пуансоном и матрицей.
4. Надрезка – частичное отделение части заготовки по незамкнутому контуру, причем разделяемые части не теряют связи между собой.
5. Обрезка – отделение краевой части полого изделия для обеспечения заданной постоянной по периметру высоты детали или отделение краевой части плоского фланца для получения заданных формы и размеров.
6. Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров. В процессе гибки пластическая деформация сосредоточивается на узком участке, контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие полки детали, деформируются упруго. При гибке в штампах можно одновременно изменять кривизну на нескольких участках по длине заготовки, оставляя другие участки прямолинейными, в некоторых случаях пластических деформации при гибке могут охватывать всю заготовку.
7. Вытяжка  – операция, при которой без утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вытягиваемой заготовки.
8. Вытяжка – операция, при которой с утонением стенки увеличивает длину полой заготовки в основном за счет уменьшения толщины стенок исходной заготовки.
9. Отбортовка – получение бортов (горловин) путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу.
10.   Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате выталкивания ее в сужающуюся полость матрицы. Обжимаемая заготовка получает форму рабочей полости.
11.   Формовка – операция, при которой изменяется форма заготовки в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина заготовки в этих участках уменьшается. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т.п.

Операции листовой штамповки используют не только для  придания заготовке определенной формы, но и для соединения отдельных  отштампованных деталей между собой. Кроме того, каждая операция выдвигает свои требования к конструкции, получаемой с ее помощью детали, диктуемые техническими возможностями изготовления инструмента и особенностями деформирования.

35. Сущность образования сварочного соединения

Соединение, полученное в результате сварки характеризуется  непрерывной структурной связью и монолитностью строения, достигаемыми за счет образования атомно-молекулярных связей между элементарными частицами  соединяемых деталей трубопроводов. Неразъемное монолитное соединение, называется сварным соединением.

Процесс образования  соединения при сварке происходит в  три стадии.

На первой стадии достигается физический контакт (между  приварным фланцем и стальной трубой), то есть осуществляется сближение  соединяемых веществ на расстояния, необходимые для межатомного  взаимодействия.

На второй стадии происходит химическое взаимодействие, которое заканчивается процессом  образования прочного соединения фланца и трубы. Эти две стадии характерны для микроучастков соединяемых веществ.

Процесс сварки трубы  и фланца завершается диффузией.

 Для качественного  соединения деталей трубопроводов  необходимо обеспечить контакт  значительной части стыкуемых  поверхностей и их активацию.  Активация состоит в том, что  поверхностным атомам твердого  тела сообщается некоторая кинетическая  энергия, необходимая для преодоления  связей между ними и повышение  энергии поверхностных атомов  до уровня энергетического барьера  схватывания, то есть для перевода  их в активное состояние. Такая  энергия может быть сообщена  в виде теплоты (термическая  активация) и других видов воздействия  на соединяемые материалы. 

При сварке плавлением образование сварного соединения стального  воротникового фланца и плоского фланца со стенкой трубы (рис. 1) происходит в результате сближения атомов твердых  тел (фланец и стальная труба) вследствие смачивания их поверхностей жидким металлом расплавом, а активация поверхности  твердого металла – путем сообщения  ее частицам тепловой энергии. Металл элементов соединяемых деталей трубопроводов (рис. 1, а) в месте сварки доводится под водимой тепловой энергии Q до жидкого состояния. При этом происходит локальное расплавление и основного свариваемого металла деталей трубопроводов по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться за счет расплавления основного металла или основного и дополнительного присадочного металлов. В практике преимущественное применение находит второй вариант. В процессе сварки основной и дополнительный металлы самопроизвольно и без приложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну (рис. 2, б), которая смачивает оставшуюся твердую поверхность соединяемых элементов трубопроводов. При этом происходит сближение атомов металла сварочные ванны и основного металла до расстояний, при которых возникают атомно-молекулярные связи.