Технико-экономические показатели процессов деформирования
Возрастающий дефицит металла в машиностроении является причиной все более пристального внимания к процессам малоотходной обработки металлов и прежде всего к точному литью и точной штамповке. При выборе того или иного технологического процесса наряду с конструктивными особенностями изделия и предъявляемыми к нему техническими требованиями следует рассматривать экономическую эффективность производства и его особенности. Обработка металлов давлением относится к наиболее прогрессивным способам изготовления полуфабрикатов и деталей машин. Около 90 % всей выплавляемой стали подвергают тому или иному виду обработки давлением с применением прокатки, штамповки, ковки, прессования, других процессов и операций. От 15 до 20 % полуфабрикатов подвергается двух, трехкратной обработке давлением.
Прогрессивные технологические процессы обработки металлов базируются на дальнейшем сокращении обработки резанием. Приближение формы заготовки к форме детали и повышение точности ее по размерам значительно экономят металл, снижают трудоемкость и себестоимость производства. Например, при обработке стального проката резанием на машиностроительных заводах потери металла велики. Обработка такого же количества стали на кузнечнопрессовом оборудовании дает возможность в 4—5 раз снизить отходы металла, сэкономить станко-часы, высвободить единицы металлорежущего оборудования.
Экономное расходование металла при изготовлении поковок заложено в самой идее пластического формоизменения: преобразование заготовки простой формы в поковку сложной формы при одном и том же объеме. Отходы производства не присущи технологии ковки и штамповки, и большее или меньшее их количество характеризует лишь уровень достигнутого совершенства конкретного способа производства.
Анализ данных ряда заводов показывает, что поковки, полученные облойной штамповкой на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП), изготовляют в основном по второму классу точности с коэффициентом использования металла (КИМ) относительно механически обработанной детали, равном 0,45—0,55 при коэффициенте выхода годного (КВГ), составляющем 0,6—0,75. На ряде передовых кузнечных заводов при изготовлении поковок применяют смешанные классы точности. Например, на Челябинском кузнечнопрессовом заводе припуски назначают по первому классу, а допуски — по второму классу точности.
На Токмакском кузнечно-штамповочном заводе ряд деталей изготовляют по первому классу точности; в этом случае КИМ несколько повышается за счет уменьшения припусков и допусков. Несмотря на это, задача значительного сокращения облоя, уменьшения напусков и сокращения припусков на 40—60 % остается главной. Решение заключается в комплексном подходе: повышение требований к качеству заготовки, процессам нагрева, штамповой оснастке, к условиям технологического процесса, созданию нового оборудования. Анализ качества заготовок, применяемых в промышленности для горячей штамповки, показывает, что наиболее важный параметр — объем заготовки — отличается на 3—7 % от номинального. Это отклонение получается при отрезке проката на сортовых ножницах и не может удовлетворить требованиям точной объемной штамповки. Повысить качество заготовок с отклонением объема не более ±1 % можно путем отрезки с зажимом прутка или заготовки, исключением поворота оси заготовки относительно оси прутка или резки с применением весового дозирования.
Нагрев заготовки должен быть стабильным с колебанием температуры заготовки не более ±15 °С, чтобы колебание сопротивления деформации штампуемого металла не превышало 10— 15 %. Разница температур наружных и внутренних слоев заготовки не должна превышать 100 °С; но в то же время в целях обеспечения высокой производительности работ и сокращения окалинообразования скорость нагрева должна быть высокой. Этим требованиям отвечает полностью автоматизированный процесс нагрева, в котором достигнут заданный температурный режим, осуществлена отбраковка недогретых и перегретых заготовок и строго выдерживается время рабочего цикла.
К основным требованиям, предъявляемым к штамповой оснастке, относятся значительное увеличение точности изготовления инструмента, снижение шероховатости рабочих поверхностей и увеличение стойкости при эксплуатации. Опыт показывает, что точность изготовления инструмента должна быть примерно на порядок выше точности получаемых поковок. Например, допуск на изготовление точных поковок составляет ~50 % от допусков у штампованных поковок повышенной точности. В этом случае рабочие полости штампов должны быть изготовлены по третьему классу точности. В результате стойкость инструмента достигает 5000 поковок.
Основным требованием штамповки с повышенной точностью является строгое поддержание заданного цикла и стабильности технологического процесса, непрерывность подачи технологического смазочного материала и удаления окалины, исключение влияния температурных колебаний (за счет разогрева оборудования, инструмента и оснастки), автоматическая подналадка закрытой высоты пресса и эффективный контроль качества поковки. Находит применение безоблойная и малооблойная штамповка с уменьшенным (в среднем на 50 %) объемом заусенца. Один из способов малоотходной штамповки разработан для производства колец подшипников: наружный облой не предусмотрен, а неточность объема заготовки компенсируется за счет толщины выдры. Коэффициент выхода годного в этом случае ^составляет 0,75—0,90 при КИМ, равном 0,55—0,60 для поковок массой до 3 кг. Некоторое распространение получил способ малоотходной штамповки с противодавлением, который позволил устранить облой, обеспечить качественное заполнение всех элементов гравюры штампа, исключить перегрузки пресса. Однако при этом способе чрезвычайно важно (и сложно) конструктивно правильно расположить элемент, передающий противодавление, и создать определенный закон изменения противодавления. В стадии опробования находится способ малоотходной штамповки с вытеснением избытка металла в открытую компенсационную полость штампа с последующей обрезкой компенсатора при выталкивании поковки. Другим направлением повышения точности штамповки, которое охватывает поковки большой номенклатуры, считают штамповку выдавливанием в открытых и закрытых штампах. При выдавливании в открытых штампах в ряде случаев облой отсутствует, а неточность объема заготовки компенсируется разной длиной поковки; КВГ может достигать 0,8—0,9 при КИМ, равном 0,5—0,7. Штамповку выдавливанием осуществляют на горячештамповочных прессах с использованием усилия не более чем на 30— 40 %. Поэтому ведутся работы по совершенствованию прессов для выдавливания металла. Штамповку выдавливанием в закрытых штампах осуществляют на прессах двойного действия. Отходы металла в облой отсутствуют, припуски на механическую обработку и допуски уменьшаются на 40—70 % по сравнению с облойной штамповкой; штамповочные уклоны обычно не предусмотрены; возможно выполнение глубоких внутренних полостей на поковках; КИМ достигает 0,70—0,85 при КВГ, равном 0,85—0,90. Повышение точности поковки по высотному размеру достигают штамповкой в упор. Однако усилие при штамповке с жестким упором в штампе в 5—6 раз превышает необходимое для деформирования металла заготовки. Применение типовых технологических процессов горячей объемной штамповки намного сокращает цикл освоения новых изделий, снижает их себестоимость, исключает необходимость заново разрабатывать технологию и оснастку для многих деталей. Например, ВНИТИ прибором разработан общесоюзный стандарт для штамповки выдавливанием и в открытых штампах на винтовых и кривошипных прессах.
На основании анализа номенклатуры деталей приборов было установлено, что типовой вариант технологического процесса штамповки обусловливается двумя факторами — конфигурацией и материалом поковки. Каждому процессу соответствует типовой, приведенный в картах стандарта (с указанием эскиза поковки, вида материала, термических режимов обработки, наименования и содержания операций, наименования оборудования, штампового и измерительного инструмента, основных показателей для нормирования работ). Кроме того, предусмотрено применение перспективного оборудования, средств механизации и автоматизации, контроля качества поковок.
Величина припуска на механическую обработку оказывает большое влияние на себестоимость поковки. Снижение припуска достигают на современном прессовом оборудовании с применением числовых программирующих устройств (ЧПУ). Например, процесс штамповки с обкатыванием, выполняемый на прессах, оснащенных ЧПУ, позволяет получать поковки из слитков массой 200—300 кг с допусками по диаметру ±3— 5 мм и на длину ±10 мм.
Припуск на механическую обработку штампованных поковок зависит от параметров, подразделяемых на три группы. Первая группа — величина и глубина поверхностных дефектов, в том числе заштампованной окалины, поверхностной шероховатости, обезуглероженного слоя. Вторая группа -допустимое смещение штампов в плоскости разъема, след обрезанного заусенца. Третья группа — напуски, обусловленные закруглением углов и штамповочными уклонами. Определение припуска как суммы перечисленных признаков недопустимо, так как невозможно располагать точными данными о глубине поверхностных дефектов и величине напусков, а суммирование привело бы к весьма значительным припускам. Чем уже поле допуска, тем меньше назначают припуск (при точной штамповке он может быть равен нулю). Величина смещения штампов и искривления поковки не может превышать разность между припуском и абсолютной величиной минусового допуска на размер.
