Технологический процесс изготовления детали «Шатун»

Ковка и объемная штамповка являются прогрессивными видами металлообрабатывающей промышленности, позволяющими значительно сократить расход металла при производстве деталей машин и повысить их качество.

Поэтому кузнечно-штамповочное производство является основным способом получения заготовок и деталей в большинстве отраслей промышленности.

Ковкой и объемной штамповкой изготовляют заготовки деталей массой от нескольких грамм до сотен тонн (швейные иглы — роторы турбин).

Прочность деталей, изготовленных КиОШ, значительно выше, чем литых или полученных на МРС из проката (приблизительно в 2 раза) (предел прочности, ударная вязкость, усталостная прочность).

Поэтому все тяжелонагруженные детали машин, в особенности, работающие при динамических нагрузках, изготовляют методом ОМД: ковки и штамповки (в том числе прокатки вальцовки). Кроме того, ОШ имеет более высокую производительность, чем МРС, имеют более низкую трудоёмкость и себестоимость.

Всего методами ОМД перерабатывается 80% всей стали: это прокат сортовой, листовой и др.

Основной задачей КиОШ является придание исходному металлу (заготовке), засчёт пластической деформации, формы и размеров, приближающихся к готовым деталям.

К обрабатываемым металлам горячей штамповкой относятся в первую очередь сталь различных марок, многие цветные сплавы, главным образом алюминиевые (дуралюмин), магниевые и медные (латунь и бронза), а также большинство сплавов на основе никеля и титана.

1. Разработка технологичности процесса изготовления поковки детали «Шатун»

1.1 Исходные данные для разработки чертежа поковки

При разработке чертежа поковки использовались такие исходные данные:

— чертеж детали «Шатун», выданный руководителем проекта (чертеж детали выполняем в соответствии с требованиями ЕСКД-рис. 1. и см. приложение А);

— технические требования на деталь;

— серийность производства.

Рисунок 1.1. Чертеж детали «Шатун»

1.2 Анализ технологичности детали и выбор способа штамповки

Способа изготовления поковки зависит от формы, размеров, сложности, вида используемого материала, массы, точности, серийности производства, а также от технических требований предъявляемых будущей поковке.

Для снижения усилия штамповки и увеличения стойкости штампов, штамповку ведут в горячем состоянии в открытом штампе. При этом вокруг поковки образуется облой, снижающий на (10−30)% коэффициент использования металла.

Наличие облоя значительно упрощает процесс штамповки:

— не требуется точный объем заготовки;

— облегчает процесс заполнения окончательного ручья;

— не требуется точной сложной подготовки заготовок перед окончательной штамповкой;

— повышает стойкость штампов.

Штамповку ведут из предварительно нарезанных штучных заготовок, так как должна обеспечиваться высокая производительность и хороший КИМ.

1.3 Конструирование чертежа поковки

1.3.1 Выбор поверхности разъема штампов

Выбранная поверхность разъёма штампа должна обеспечивать свободное соударение штампов, свободное извлечение поковок из штампов, минимальный расход металла и оптимальную трудоемкость изготовления штампов. При штамповке на молотах сложные элементы рекомендуется располагать в верхней половине штампа.

Исходя из вышеперечисленных критериев, выбираем плоскую поверхность разъёма штампа, которая проходит через середину поковки.

1.3.2 Назначение припусков и допусков на поковку

Согласно ГОСТа 7505 величина припусков, допусков и напусков на размеры поковки зависят от следующих параметров: массы поковки, группы стали, степени сложности поковки, размеров поковки, шероховатости поверхностей детали, конфигурации ПРШ (плоская или изогнутая).

Расчет массы поковки Ориентировочно массу поковки можно вычислить по формуле:

где — масса детали, кг;

— расчетный коэффициент, установленный в зависимости от конфигурации детали и способа штамповки, определяется по ГОСТ 7505 [1], равный 1,37.

Массу детали определяем по формуле:

=

где — объем детали;

— плотность стали, равная 7,85 г./.

С использование программного пакета КОМПАС 3D была создана твердотельная модель детали (рис. 1.2), а с помощью вычислений массо-центровочных характеристик (МЦХ) были посчитаны основные параметры детали и приведены ниже в табл. 1.1.

Таблица 1.1 — Вычисления массо-центровочных характеристик

По формуле (1.1) находим численное значение :

Рисунок 1.2 — Твердотельная модель детали Определение группы стали В зависимости от содержания в марке стали углерода и легирующих элементов зависит пластичность материала.

Сталь 30: сталь с массовой долей углерода (0,3)%, без легированных элементов, относится к группе, где содержание углерода меньше (0,35)%, легированных элементов < (2)%. На основе этого устанавливаем группу стали в соответствии с рекомендациями — М1.

Определение степени сложности поковки Её определяют путём вычисления отношения массы поковки к массе элементарной геометрической фигуры, в которую может быть вписана заданная форма поковки. Даная геометрическая форма — призма.

Степень сложности поковки определяется по формуле:

шатун поковка заготовка штамп где — масса поковки, кг;

— масса фигуры, в которую вписана деталь, кг.

Масса фигуры определяется по формуле:

где — объем фигуры, в которую вписана деталь, равный см3.

Вычисляем по формуле (1.4) численноё значение ;

Численное значение находим по формуле (1.3):

В соответствии с этим значением определяем степень сложности — С2.

Выбор класса точности Класс точности поковки зависит от вида штамповочного оборудования и типа штампа. На класс точности влияет так же наличие или отсутствие калибровки, вид нагрева: пламенный или электронагрев. При штамповке на «ПВШМ)» в открытых штампах и при пламенном нагреве принимаем 5-ый класс точности — Т 5.

По группе стали М1, степени сложности поковки С2, и классу точности Т5 определяем исходный индекс поковки I-14.

Найденные значения припусков и допусков по ГОСТ 7505 приведены ниже в табл. 1.2.

Таблица 1.2 — Припуски и допуски на механическую обработку в миллиметрах

1.3.3 Выбор штамповочных уклонов

Штамповочные уклоны предназначены для облегчения извлечения отштампованных поковок из штампа. Они назначаются на поверхности детали, которые параллельны движению инструмента (штампов). Штамповочные уклоны на наружной поверхности принимаем, на внутренней поверхности. Величина штамповочных уклонов регламентирована ГОСТ 7505.

1.3.4 Назначение радиусов скругления поковки

Радиусы скругления необходимы для облегчения заполнения ручья, предотвращения появления брака, уменьшения усилия штамповки. Радиусы должны быть оптимальными, чтобы не было брака, перерасхода металла.

Наружные радиусы закругления ® обычно принимают равными припуску (П) с учетом фаски (Ф),

Внутренние радиусы принимают в 2…4 раза больше наружных и согласовывают с заказчиком или определяют по формуле:

Расчетные значения радиусов закругления округляют до нормализованного ряда: принимаем

1.3.5 Конструирование наметки под отверстие

Получить сквозное отверстие методами пластического формообразования при штамповке на молотах и других видах оборудования не представляется возможным. Поэтому в поковках с целью экономии металла и облегчения прошивки предусматриваем лишь наметки под отверстие в виде внутренних полостей, расположенных с двух сторон с оставлением перемычки между ними, которые удаляются потом с помощью обрезных штампов. На практике используется пять типов наметок с различными перемычками: плоская, с раскосом, с магазином, с карманом, глухая.

В нашем случае используется одна наметки под отверстия: глухая — .

Глухая перемычка относительно часто используется в ОКР при штамповке высоких паковок когда. Перемычка оставшеяся в такой поковке в кузнечном цехе не удаляется, отверстие получается при последующей обработке на МРС.

Внутренний радиус ® — подбираем.

1.3.6 Составление технических требований на изготовление поковки

Составление осуществляется по ГОСТ 7505 и ГОСТ 8479.

Согласно ГОСТ 8479 все поковки делятся на пять групп (Гр.I…Гр.V) поставки. Для нашей поковки IV-я Гр. поставки. Все поковки этой группы проверяются на твердость, растяжение (), ударную вязкость (), относительное удлинение (), относительное сужение ().

Твердость поковки зависит от категории прочности материала и определяется по табл. 2 ГОСТ 8479.

Для нашей поковки КП 245; HB = 143…179.

1. Основные параметры поковки:

— Группа стали М1;

— Степень сложности С2;

— Класс точности Т5;

— Исходный индекс 14;

— Неуказанные радиусы cкругления r=4 мм;

— Неуказанные штамповочные уклоны 7;

2. Предельные отклонения формы поковки:

— Допустимая величина смещения по ПРШ — 0,7 мм;

— Допускаемая величина остаточного облоя не более 0,9 мм;

— Корабление (изогнутость) не более 1,0 мм.

1.3.7 Вычерчивание и оформление чертежа поковки и детали по ГОСТ 7505 [1] и ГОСТ 3.1126 [3]

Чертеж поковки и детали выполнены в одной проекции. Контур поковки и детали вычерчены толстой линией. При конструировании поковки контур детали вычерчивается штрихпунктирной линией. Размеры с допусками проставлены над размерными линиями.

На чертеже указаны базы механической обработки, некоторые отклонения формы поковки. Технические требования написаны над основной надписью.

В основной надписи на чертеже поковки указано название детали «Шатун», а под ним написана — «поковка».

Чертеж поковки представлен в приложении Б.

1.4 Построение расчетной заготовки эпюры сечений и эпюры диаметров

Выбор необходимых заготовительных ручьёв производим на основе эпюры диаметров (расчетной заготовки). Эпюра диаметров — это условная расчетная заготовка, которая представляет собой тело вращения с длиной, равной длине поковки, с переменной площадью поперечного сечения и обломе.

Площадь поперечного сечения расчетной заготовки и диаметр расчетной заготовки в произвольном сечении находим по формулам:

где — диаметр расчетной заготовки, см;

— площадь поперечного сечения расчетной заготовки, мм2;

— площадь поперечного сечения поковки, мм2;

— площадь сечения облоя поковки, равная 102 мм² по табл. 7 стр. 65 [4];

— коэффициент заполнения канавки, =0,7 по табл. 8.

Строим эпюру сечений и эпюру диаметров (см. приложение В). Расчётные значения найденные по формулам (1.5) и (1.6) сведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3 — Расчётные значения диаметра и площади поперечного сечения заготовки

Приводим эпюру к плавной форме, сохраняя объем неизменным, приравнивая отнимаемую площадь к прибавляемой.

Определяем среднюю расчетную заготовку, с помощью которой определим расчетный коэффициент подкатки. Средняя расчетная заготовка — это цилиндрическая заготовка с длиной, равной длине поковки и с объёмом, равным сумме объёма поковки и объёма облоя, т. е. в первом приближении среднюю расчетную заготовку можно принять за исходную, из которой можно отштамповать заданную деталь.

Средний диаметр расчетной заготовки определяем по формуле, мм:

где Scp — средняя площадь сечения расчетной заготовки, см2.

Средняя площадь сечения расчетной заготовки определяем по формуле:

где — суммарный объем поковки с облоем, см3;

— объем поковки, равен 425,72 см³;

— объем облоя поковки, см3.

— длина поковки, равна 22,4 см.

Объем облоя поковки определяем по формуле:

где — периметр поковки по линии разъема, равный 52,54 см;

— площадь облоя поковки см2.

Площадь облоя поковки определяем по формуле:

По формуле (1.10) вычисляем численное значение :

Численное значение поковки находим по формуле (1.9):

Численное значение находим по формуле (1.7):

1.5 Расчет и выбор переходов штамповки

Для поковок первой группы, штампуемых на ПВШМ, наибольшее число ручьев определяем по общему коэффициенту подкатки. Для этого были построены: эпюра сечений, эпюра диаметров (приложение) и рассчитаны размеры расчетной заготовки.

В соответствии с этими данными определяем общий коэффициент подкатки:

Пользуясь коэффициентами подкатки ручьев, выбираем необходимые ручьи: протяжной открытый, подкатной закрытый и окончательный.

Протяжной открытый располагается параллельно оси штампа. Применяется в том случае, когда и если совокупность других ручьёв позволяет осуществить такое расположение.

Подкатной закрытый имеет коэффициент подкатки Кп=1,6, применяется в случае, когда необходимо значительно перераспределить металл по длине заготовки.

Окончательный ручей имеет коэффициент подкатки Кп=1,05. Он применяется всегда и конструируется по чертежу горячей поковки и техническим условиям на ее изготовление.

Комбинация ручьев выбирается из условия:

где Кпр — коэффициент подкатки ручьёв, равное произведению Кп выбранных ручьёв.

По формуле (1.12) вычисляем численное значение :

На основании этого утверждаем следующие типы ручьев и их последовательность:

1- протяжной открытый;

2- подкатной закрытый ;

3- окончательный

1.6 Выбор типа и размеров облойной канавки

Облойные канавки предусматриваются в открытых окончательных ручьях штампов. Они предназначены для размещения избыточного металла заготовки и создания сопротивления истечения металла на ПРШ (в облой) На практике применяются 6 типов облойных канавок:

1-с верхним расположением магазина;

2- с нижним расположением магазина;

3-с двойным магазином;

4 — с увеличенной шириной нижнего мостика;

5-с тормозной канавкой;

6 — клиновидная.

Для изготовления нашей поковки в соответствии с указаниями, приведенными на стр. 64 [4], выбираем канавку первого типа с верхним расположением магазина (рис. 1.3). Этот тип канавки обеспечивает большую стойкость выступа (мостика), так как верхняя половина штампа прогревается меньше, чем нижняя. Этот тип облойной канавки является основным.

Облойная канавка (ОБК) состоит из мостика, создающего сопротивление истечению и магазина, в котором располагается избыточный объем металла. Основным определяющим параметром ОБК является толщина облоя (высота мостика), которая находиться по формуле, мм:

где — площадь поковки в плане, мм2, определяем с помощью компьютерной программы КОМПАС.

По формуле (1.13) вычисляем численное значение :

Принимаем ближайшее значение по табл. 7 стр. 65 [4], .

Исходя из этой таблицы, выбираем параметры облойной канавки:

;; ;; So6к = 1,02 см².

Рисунок 1.3 — Облойная канавка

1.7 Выбор типа и размеров исходной заготовки

Воспользовавшись «Диаграммой пределов применения различных заготовок и «таблицей (по А.В. Ребельскому)», в зависимости от массы поковки и её наибольшего габаритного размера выбираем штамповку с поворотом.

Объём исходной заготовки определим по формуле, мм3:

где 2,5 — угар металла, в %.

По формуле (1.14) вычисляем численное значение :

Диаметр исходной заготовки определим по формуле, мм:

где — площадь сечения заготовки, мм2.

Площадь сечения заготовки находим по формуле:

По формуле (1.16) вычисляем численное значение :

Численное значение вычисляем по формуле (1.15):

Принимаем округляя его по ГОСТ 2590.

Пересчитываем длину заготовки по формуле, мм:

Численное значение вычисляем по формуле (1.17):

Определяем длину штучной заготовки с учетом штамповки с поворотом, мм:

1.8 Выбор способа и типа оборудования для разделки исходного материала на мерные заготовки

По виду и размерам исходной заготовки выбран самый распространенный, высокопроизводительный способ разделки металла на пресс — ножницах. Он обеспечивает удовлетворительное качество заготовок. Разрезку осуществляем в холодном состоянии.

Разрезка на сортовых ножницах произведена без отхода металла путем смещения (сдвига) отрезаемой части прутка по поверхности раздела под воздействием сближающихся ножей.

Выбрана не полностью открытая разрезка, при которой ограничивается поворот прутка в неподвижном ноже, но подвижность отрезаемой части не ограничена. Способ отличается простотой удаления заготовки.

Для выбора типа оборудования, необходимо усилие отрезки, которое находиться по формуле:

где — усилие отрезки, кН;

=1,5 — коэффициент зависящий от схемы обрезки и скорости деформации;

— площадь поперечного сечения прутка диаметром 56 мм, равная мм2;

— удельное усилие отрезки, МПа.

Численное значение вычисляем по формуле (1.20):

.

Численное значение усилия отрезки вычисляем по формуле (1.19):

Исходя из полученного усилия выбираем пресс-ножницы.

Параметры пресс-ножниц представлены в приложении Г.

1.9 Выбор термического режима штамповки и типа нагревательного оборудования

1.9.1 Выбор оптимального и технологически необходимого температурного интервала

В зависимости от марки стали и вида штампуемого материала (слиток или заготовки), выбираем температуру начала штамповки tн.ш.= 1280 °C и температуру окончания штамповки tк.ш. =750°С.

Максимальную температуру нагрева металла в печи перед штамповкой определяем на основании выбранной температуры начала штамповки, по формуле:

где — температура нагрева металла в печи, .

Увеличение температуры начала штамповки до температуры максимальной, нагрева металла связанно с тем, что при переносе металла из печи к молоту температура поверхностных слоев нагретой заготовки снижается из-за потери тепла излучением в окружающую среду, а также теплопроводностью через инструмент и конвективными потоками.

1.9.2 Выбор способа нагрева заготовок перед штамповкой и типа нагревательного устройства

Для нагрева заготовок применен способ нагрева пламенный, так как себестоимость затрат на (40−50)% ниже, чем при других способах.

Тип нагревательного устройства — камерная печь (рис. 1.4) с площадью пода 2−3 м³, которая широко применяется для нагрева мелких и средних заготовок с массой до 10 кг. Она проста по конструкции и в обслуживании. Эта печь имеет одно общее окно загрузки и выгрузки. Кладка выполнена в жестких каркасах. Продукты горения отводятся через зонт вытяжной вентиляции. Для повышения КПД этой печи установлен регулятор.

Способ нагрева и тип нагревательного устройства обеспечивает max производительность нагрева, min время нагрева, min образование окалины, равномерный нагрев и оптимальную себестоимость.

1 — под; 2 — стена; 3 — арочный свод; 4 — пламенная горелка; 5 — окно для выгрузки-загрузки; 6 — окно для отвода ПГ; 7 — канал для отвода ПГ; 8 — рекуператор; 9 — каркас; 10 — заготовка.

Рисунок 1.4 — Эскиз пламенной печи

1.9.3 Расчет основных параметров нагревательного устройства и времени нагрева

Расчет термического режима и выбор типа нагревательного устройства делаем при помощи программы кафедры ОМД «HEAT v2 Professional», (приложение Д).

1.9.4. Выбор способа охлаждения поковок после штамповки

Режим охлаждения отштампованных поковок, также как нагрев, может приводить к образованию микротрещин в результате образования высоких термических напряжений. При охлаждении и прохождении температур фазовых превращений образуются структурные напряжения, которые суммируются с термическими напряжениями, в результате они могут превышать допустимые напряжения, что приводит к образованию микротрещин. Поэтому выбран способ охлаждения в корзинах, ящиках и штабелях.

1.9.5 Выбор и обоснование способа термообработки поковок

Термической обработки подвержена отштампованная поковка с целью:

устранения внутренних дефектов в структуре металла, образовавшихся в процессе нагрева, штамповки и обрезки облоя;

улучшения обрабатываемости поковки на МРС (снижается и выравнивается усилие, улучшается чистота обработки);

обеспечения заданных механических свойств и структуру;

подготовки структуры стали к последующей термообработки после механической обработки.

Нормализация применяется для мелких и средних поковок из углеродистой и низколегированной сталей. Эта операция более производительная, менее продолжительная и экономически выгодная, чем отжиг, поэтому большинство поковок в машиностроении подвергаются именно нормализации.

При нормализации происходит полный процесс перекристаллизации и получается мелкозернистая структура. Суть нормализации состоит в том, что металл нагревается до температуры на (50−60)°С больше линии АСз по диаграмме Fe, происходит не продолжительная выдержка, после чего поковки на поддонах выгружают из печи и охлаждают на воздухе.

1.10 Расчет МПЧ и выбор типоразмера оборудования для штамповки

При штамповке на молоте некруглой в плане поковки необходимую массу падающих частей молота, находим по зависимости:

гдепредел текучести, равный МПа (при t=1000 С) табл. 2. стр. 133) [6];

Dпр — приведенный диаметр поковки, мм;

— длина поковки в плане, равная

bср — средняя ширина поковки в плане, равная 50,96 мм;

— толщина мостика облойной канавки, равная 1,6 мм;

b — ширина мостика облойной канавки, равная 8 мм.

Приведенный диаметр поковки находим по формуле, мм:

где — площадь проекции поковки в плане, равная .

Численное значение вычисляем по формуле (1.23):

Численное значение вычисляем по формуле (1.22):

На основании полученного значения, выбираем ПВШМ с МПЧ=2т. Основные параметры молота приведены в (приложении Е).

1.11 Выбор пресса для обрезки облоя

Обрезку облоя производим в обрезном штампе на обрезном прессе, установленном рядом со штамповочным молотом. Эта операция осуществляется в горячем состоянии (t = 750 — 9000С), так как такой способ позволяет снизить усилие в 5…7 раз по сравнению с холодной обрезкой и снизить внутреннее напряжение, которое может привести к появлению трещин.

Обрезку производим на обрезном прессе.

Определяем усилие, необходимое для обрезки облоя по формуле:

где — усилие обрезки, кН;

— коэффициент, учитывающий затупление режущих кромок матрицы;

= 1,5…1,8, принимаем к = 1,8;

— предел прочности материала при температуре обрезки 850 °C, равный 89,5 мПа;

F — площадь среза облоя, мм2.

Площадь среза облоя определяем по формуле, мм2:

где П1 — периметр среза по наружному контуру, равный 525,4 мм;

— толщина среза облоя, равный 5,1 мм, определяется графическим путем в зависимости от величины зачистки штамповочного уклона.

Численное значение вычисляем по формуле (1.25):

Численное значение вычисляем по формуле (1.24):

Выбираем обрезной однокривошипный закрытый пресс, с номинальным усилием Рном = 1600 кН. Параметры обрезного пресса представлены в приложении Ё.

1.12 Выбор способа очистки поковок от окалины

Выбрана очистка в дробеметной камере. Это самый современный и эффективный способ очистки от окалины. Принцип очистки состоит в том, что стальная или чугунная дробь с высокой скоростью ударяется о поверхность поковок, сбивает окалину и при этом также упрочняет поверхностный слой поковки за счет ее деформации на глубину 0,3 — 0,4 мм. Качество очистки высокое. Окалина сбивается у поковок различных форм, в том числе с углублениями и отростками. Поверхность получается приятного матового серебристого цвета.

Дробь подается с помощью дробеметных аппаратов, которые предусматривают собой вращение турбинной лопатки, на которую подается дробь и с большой силой отбрасывается в сторону поковок.

Использована дробометная камера садочного типа, так как поковка «Шатун» мелких размеров и массой до 20 кг.

Производительность этой камеры составляет 5−8 т/смену Время очистки 25… 30 мин Расход дроби 15…18 кг/т.пок.

Эскиз дробометной камеры показан на рис. 1.5.

1 — скиповый загрузчик; 2 — окно загрузки, выгрузки; 3 — заслонка;

4 — корпус установки; 5 — свежая дробь (d = 1,2… 1,5 мм);

— крыльчатка; 7 — очищаемые поковки; 8 — транспортер подачи дроби;

9 — отработанная дробь; 10 — очищенные поковки.

Рисунок 1.5 — Эскиз дробеметной камеры

1.13 Виды брака и технический контроль поковок

При штамповке возникают следующие виды брака:

Вмятины — следы заштампованной и затем удаленной с поковок окалины глубиной до 3 мм;

Недоштамповка — увеличение всех размеров поковки сверх допуска в направлении перпендикулярном к основной плоскости разъема;

Заусенец — несрезанный остаток облоя при плохой установке в подгоне штампов или при смещении поковки в обрезной матрице;

Брак, возникающий при нагреве заготовок: недогрев, перегрев;

Брак, вследствие неправильного конструирования штампа;

Брак при термической обработке, при очистки от окалины.

Контроль поковок является неотъемлемой частью технического процесса штамповки и включает в себя проверку размеров и формы элементов и их механической прочности.

При измерениях размеров поковок необходимо соблюдать правила единства базы.

1.14 Расчет основных технико-экономических показателей разработанного технологического процесса (КИМ, КИП, КИЗ, КР) и заполнение карты технологического процесса по ГОСТ 3.1403

Коэффициент использования металла определяем по формулам:

Коэффициент использования поковок определяем по формуле:

Коэффициент использования заготовок определяем по формуле:

Коэффициент раскроя определяем по формуле:

где МДЕТ — масса детали, МДЕТ = 2,43 кг;

МПОК — масса поковки, МПОК =3,34 кг;

МЗАГ — масса заготовки, МЗАГ = 7,4 кг;

МНОРМ — норма расхода, кг.

Норму расхода определяем по формуле:

где — не кратность;

Не кратность определяем по формуле:

где d — диаметр штанги, d = 56 мм;

— не кратность длины штанги, мм;

р — плотность стали, г/см;

Не кратность длины штанги определяем по формуле:

где — длина штанги = 6000 мм;

— суммарная длина заготовок из штанги, мм.

Суммарную длину заготовок из штанги определяем по формуле:

где — длина заготовки, мм;

n — число заготовок из штанги, шт.

число заготовок из штанги находим по формуле:

Принимаем

По формуле (1.33) находим

По формуле (1.32) находим

По формуле (1.31) находим численное значение

По формуле (1.30) находим численное значение По формуле (1.26) находим численное значение По формуле (1.27) находим численное значение По формуле (1.28) находим численное значение По формуле (1.29) находим численное значение Заполнение карты технологического процесса по ГОСТ 3.1403 показано в приложении Ж.

2. Конструирование штамповой оснастки и выбор оборудования

2.1 Выбор молотового штампа, и краткое описание его конструкции В качестве оборудования, необходимого для получения данной детали использован паровоздушный штамповочный молот. Это самый распространенный способ штамповки и имеет следующие достоинства:

изготавливаются поковки любой формы и размеров;

стоимость на порядок ниже, чем у КГШП;

простота эксплуатации и обслуживания;

требуется меньшее усилие энергии удара, т.к. по заготовке наносится несколько ударов;

не требуется применение точных и сложных заготовок.

По конструкции молотовой штамп монолитный. Он состоит из двух частей верхнего и нижнего штампа. Верхней штамп крепится к бабе молота с помощью хвостовика (тип — ласточкин хвост), размеры которого зависит от мощности, энергии молота. Они оговорены в ГОСТе 6039. Этим же ГОСТом оговорены размеры шпонок и клиньев.

Клин предотвращает смещение штампов в поперечном плане, а шпонка предотвращает от продольного перемещения штампа.

Штамповочный молот выбирают по МПЧ (2 т), ГОСТ 7024. Параметры штамповочного молота, представлены в приложение Д.

2.2 Конструирование ручьёв и других элементов штампа

Отштампованную поковку только в одном ручье молотового штампа не представляется возможным. На молоте применяется многоручьевая штамповка, когда заготовка постепенно от ручья к ручью пластично деформируется, приобретает необходимую форму в соответствии с чертежом горячей поковки. Чертеж горячей поковки отличается от холодной тем, что все размеры увеличены на величину температурной усадки равной (1,5)%.

Для изготовления данной детали используется несколько видов ручьёв: штамповочный ручей — окончательный, заготовительные — протяжной открытый и подкатной закрытый.

Заготовительные ручьи штампа предназначены для перераспределения металла заготовки по её длине или высоте в соответствии с формой поковки путём постепенного приближения от цилиндрической заготовки к форме будущей поковке.

2.2.1 Конструирование окончательного ручья

Окончательный ручей штампа предназначен для предания заготовки формы и размеров в соответствии с чертежом горячей поковки, т. е. копия, оттиск горячей поковки. Он сконструирован по чертежу горячей поковки. Расположен в центре зеркала штампа. Окончательный ручей открытый, т.к. вокруг ручья расположена облойная канавка, в которую вытекает избыток металла заготовки.

2.2.2 Конструирование подкатного закрытого ручья

Подкатной закрытый ручей предназначен для интенсивного перераспределения металла вдоль оси заготовки и придание ей формы близкой к расчётной заготовке (к эпюре диаметров). Он конструируется на основе эпюры диаметров с небольшой корректировкой и в соответствии с указаниями, приведенными в табл. 14 стр. 90.

Размеры профиля ручья по высоте по формуле, мм:

где — коэффициент, зависящий от диаметра.

Результаты расчета занесены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 — результаты расчётов размера профиля ручья по высоте

Ширину подкатного закрытого ручья определяем по формуле, мм:

(2.2)

где Sзаг — площадь поперечного сечения исходной заготовки, равная 3318,3 мм²;

hk — раствор ручья в местах перехода стержня в головку, равно 35 мм.

Подкатной ручей обычно располагается с левой стороны штампа, а при наличии протяжного ручья с правой.

Эскиз подкатного закрытого ручья приведен на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 — Эскиз подкатного закрытого ручья

2.2.3 Конструирование протяжного открытого ручья

Протяжной открытый ручей предназначен для уменьшения площади поперечного сечения и увеличения длины на определённом участке заготовки. Он также конструируется на основе указаний в табл. 14.

Эскиз протяжного ручья показан на рис. 2.2.

Расчитываем ширину протяжного ручья, мм:

где — приведенная толщина заготовки круглого сечения, равная 57,6 мм;

Раствор, а протяжного ручья, мм:

Длина протяжного порога, мм:

Принимаем С=86 мм.

Рисунок 2.2 — Эскиз протяжного ручья

2.2.4 Конструирование клещевой канавки

Клещевую выемку и литниковую канавку конструируют в соответствии с указаниями, приведенными в табл. 13 стр. 87. Эти элементы штамповочных ручьев располагают в передней части штампа и используют их для размещения части прутка или клещей, удерживающих заготовку, а также для облегчения удаления поковки из ручья при штамповке без клещевины. Клещевую выемку и литниковую канавку используют во многих случаях для отливки контрольной фигуры ручья.

2.3 Компоновка ручьев на плоскости разъема штампов, расчет закрытой высоты штампов и выбор габаритов штампа

Ручьи на поверхности разъема штампов координируют относительно центра штампа и располагают их слева на право. Окончательный ручей размещают вблизи центра штампа, а заготовительные ручьи — по его бокам.

От правильной проведенной компоновки зависят размеры штампов, производительность штамповки, удобства в работе штамповщика, возможности использования средств механизации и автоматизации при штамповке, технологичность при изготовлении штампов.

Закрытая высота штампа зависит от глубины ручья штампа. При выборе закрытой высоты штампа учитывалось не только прочность штампов, но и возможность его ремонтировать по мере износа его ручьев.

2.3.1 Расчет закрытой высоты штампа

Расчет закрытой высоты штампа произведен исходя из следующих параметров:

глубины ручьев штампов;

размеров (высоты) штампового пространства молота;

необходимости возобновления ручьев при ремонте штампов.

Закрытая высота штампа по мере ремонтов уменьшается, поэтому расчёт на практике, ведут по минимальной высоте штампового пространства с учётом возобновления, по формуле, мм:

где — наименьшая высота штампа без хвостовика, необходимая для молота [4], равная 480 мм;

Общая высота заготовки (кубика) штампа определяется по формуле, мм:

где h — высота хвостовика, мм; равная 53 мм, стр. 143 табл. 37.

Необходимо, чтобы размеры штампа приближались к кубу, поэтому размеры заготовки (куба) под штамп принимаем:

2.3.2 Проверка поверхность штампа на смятие

Проверка поверхность штампа на смятие, определяется по формуле:

где — площадь поверхности штампа без ручьёв и других элементов, см2;

— площадь зеркала штампа, изрезанная ручьями и другими эле ментами, найденная графическим путем, равная 1119.94 см²;

В-ширина штампа в плане, найденная графическим путем, равная 40 см;

L — длина штампа в плане, найденная графическим путем, равная 45 см.

Площадь поверхности штампа без ручьёв и других элементов определяем по формуле:

где МПЧ — масса падающих частей молота, равная 2 т;

[F] - допустимая свободная площадь штампа на 2 т., равная 300 см²/т.

Подставляем численные значения в формулу (2.1) и определяем поверхность штампа на смятие:

1719,4<1800.

2.4 Назначение технических требований на сборочный чертёж штампа

Технические требования включают следующие пункты:

1.415…177 HB, хвостовик 255…285 HB;

2. Штамп установить на ПВМ с МПЧ 2 т;

3. Фигуру окончательного ручья изготовить по чертежу горячей поковки, шероховатость 2,0…6,3;

4. Допускается изготовление из стали 5 ХНТ ГОСТ 5950;

5. Предельные отклонения размеров окончательного ручья H12; h12;;

2.5 Вычерчивание и оформление чертежа молотового штампа

Сборочный чертеж молотового штампа вычерчен на формате А1 в двух проекциях, кроме того сделаны необходимые разрезы (виды) и чертежи шаблонов. Так как штамп состоит из двух частей (деталей) верхнего и нижнего штампа, то сборочный чертеж является одновременно и деталировкой. Поэтому на нем представлены все размеры, позиции, сопряжения, отклонения формы и шероховатость, которые специфичны как для сборочного чертежа, так и для деталировки.

На одном из штампов представлены присоединительные размеры мест крепления (хвостовика, шпоночного паза) по ГОСТ 6039. В правом верхнем углу вычерчен чертеж горячей поковки в том же масштабе, что и сам штамп.

Над основной надписью написаны технические требования на изготовление молотового штампа.

Шаблоны предназначены для контроля правильности изготовления окончательного ручья молотового штампа. Использованы плоские контурные шаблоны. Контурный шаблон представляет собой контур горячей поковки в плане.

Для удобства контроля и удержания шаблона приделаны заплечики. С помощью плоских шаблонов гарантирована правильность заготовки.

2.6 Конструирование обрезного штампа

2.6.1 Выбор конструкции обрезного штампа и краткое его описание

В зависимости от количества выполняемых операций и от их последующей обрезки выбран штамп совмещенного действия. Размеры матрицы выбрана по табл. 4, стр. 486. Затем по размерам матрицы выбрана нижняя плита. Крепление раздельной матрицы осуществляется с помощью винтов, наклоненных под углом 5°. В зависимости от усилия обрезного пресса выбрана закрытая высота штампа. Размеры пуансона выбраны по размерам поковки и режущим кромкам матрицы. Пуансон крепится к ползуну с помощью хвостовика.

Спецификация к обрезному штампу представлена в приложении И.

2.6.2 Конструирование рабочих деталей обрезного штампа: матрицы, пуансона, плиты. Вычерчивание чертежей

Основными рабочими деталями штампа являются: матрица, пуансон. Только эти детали подробно рассчитаны и сконструированы. Остальные детали штампа: пуансонодержатель, крепежные детали — гостированы и поэтому выбраны по таблицам в зависимости от размеров рабочих деталей.

Обрезные матрицы предназначены для обрезки облоя. Только матрица влияет на качество и точность срезанного облоя. Пуансон выполняет второстепенную роль проталкивания поковку. Основным элементом матрицы является режущая кромка. От ее размеров, твердости и остроты заточки зависит качество обрезки облоя. Форма и размеры режущей кромки матрицы сконструированы по шаблону «Ш1 В-Н».

Пуансоны на обрезных штампов делятся режущие и толкающие.

Применяем толкающий пуансон, так как при обрезке облоя расстояние от плоскости разъема до плоскости соприкосновения с пуансоном превышает 5…8 мм.

Для изготовления пуансона берем заготовку из стали 8Х3 ГОСТ 5950, и фрезеровкой обрабатываем ее. Для штампа с толкающим пуансоном не следует применять съемник, так как пуансон не заходит в облой и матрицу. Здесь процесс обрезки заканчивается остановкой пуансон за несколько миллиметров до матрицы. Контур пуансона изготавливается по контуру режущей кромки матрицы с зазором 2,5 мм на сторону за счет пуансона.

Сборочный чертеж обрезного штампа вычерчен на формате А2 в трёх проекциях. Над основной надписью написаны технические требования на изготовление обрезного штампа.

3 Термомеханический расчёт ПВШМ

3.1 Исходные данные

— масса падающих частей, Н;

— эффективная энергия полного удара молота, кДж;

— ход падающих частей (ход поршня), м;

— коэффициент кратности хода ползуна;

3.2 Определение площади поршня, цилиндра и диаметра штока Площадь поршня находим по формуле, :

где — атмосферное давление, МПа;

— коэффициент площади штока,

— давление свежего пара, МПа;

— давление сжатого пара, МПа.

По формуле (3.1) определяем численное значение F:

Диаметр цилиндра находим, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.2):

Принимаем

Уточненная площадь поршня, :

Вычисляем уточнённую площадь поршня по формуле (3.3):

Диаметр штока находим, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.4):

Принимаем .

Уточненный коэффициент площади штока:

Уточнённый коэффициент площади штока вычисляем по формуле (3.5):

3.3 Определение площади дросселя, диаметра золотника, площади нижних, средних и верхних окон

Площадь дросселя:

Численное значение вычисляем по формуле (3.6):

Определение открытой части дросселя при свободной педали:

Численное значение вычисляем по формуле (3.7):

Площадь нижних, средних и верхних окон золотниковой втулки, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.8):

Численное значение вычисляем по формуле (3.9):

Высота нижних, верхних и средних окон, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.10):

Численное значение вычисляем по формуле (3.11):

Ширину окон золотниковой втулки определяем из условия

Численное значение вычисляем по формуле (3.12):

Численное значение вычисляем по формуле (3.13):

Количество окон золотниковой втулки:

Численное значение вычисляем по формуле (3.14):

Численное значение вычисляем по формуле (3.15):

Принимаем .

Уточняем ширину окон золотниковой втулки, м:

3.4 Выбор значений коэффициентов парораспределения

— коэффициент хода поршня за период впуска свежего пара в НПЦ;

— коэффициент хода поршня за период впуска свежего пара в ВПЦ;

— коэффициент хода поршня за период расширения пара в НПЦ;

— коэффициент хода поршня за период расширения пара в ВПЦ;

3.5 Определение скорости ПЧ в конце холостого хода вверх

Ускорение ПЧ в начале хода вверх:

Численное значение в начале хода вверх вычисляем по формуле (3.18):

Время «мятия» пара в нижних окнах золотниковой втулки, с:

Численное значение вычисляем по формуле (3.19):

Время «мятия» пара в окнах дросселя:

Численное значение вычисляем по формуле (3.21):

Так как, то формула определения хода поршня от начала хода до момента интенсивного мятия пара имеет вид, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.22):

Определение коэффициента, определяющий точку начала «мятия» пара Численное значение вычисляем по формуле (3.23):

Определение коэффициента определяющий точку начала кривой

:

Численное значение вычисляем по формуле (3.24):

Давления пара в ВПЦ, МПа:

где

Численное значение вычисляем по формуле (3.25):

Расчётные значения сведены в табл. 3.1.

Давления пара в НПЦ, МПа:

где

Численное значение вычисляем по формуле (3.26):

Расчётные значения сведены в табл. 3.1.

Силы инерции, действующие на падающие части, Н:

Численное значение вычисляем по формуле (3.27):

Расчётные значения сведены в табл. 3.1.

Скорость падающих частей в конце холостого хода вверх, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.28):

Численные значения скорость падающих частей в конце холостого хода вверх сведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 — Расчётные значения для предположительная индикаторная диаграмма первого холостого хода вверх, графика действующих сил и скоростей

Расчёт можно продолжать, так как что удовлетворяет условию: .

Предположительная индикаторная диаграмма первого холостого хода вверх, графики действующих сил и скоростей приведены на рис. 3.1.

3.6 Определение нижнего недохода бабы при циклах качания

Находим ускорение ПЧ в начале хода вниз:

Численное значение в начале хода вниз вычисляем по формуле (3.29):

Время начала «мятия» пара в верхних окнах золотниковой втулки при циклах качания, с:

Численное значение вычисляем по формуле (3.30):

Путь, который проходят падающие части до начала «мятия» пара в верхних окнах золотниковой втулки, мм:

Численное значение вычисляем по формуле (3.31):

Численное значение вычисляем по формуле (3.32):

Численное значение вычисляем по формуле (3.33):

Давление пара в ВПЦ, МПа:

Численное значение вычисляем по формуле (3.34):

Расчётные значения сведены в табл. 3.2.

Давление пара в НПЦ, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.35):

Расчётные значения сведены в табл. 3.2.

Суммарные силы инерции, Н:

Численное значение вычисляем по формуле (3.36):

Расчётные значения сведены в табл. 3.2.

Скорости падающих при циклах качания, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.37):

Расчётные значения сведены в табл. 3.2

Таблица 3.2 — Расчётные значения предположительной индикаторной диаграммы хода вниз, величины недохода, графики действующих сил и скоростей

Расчёт можно вести далее, так как нижний недоход бабы при циклах качания удовлетворяет условию безопасности работы Нн = (0,25 … 0,3) Нм.

Предположительная индикаторная диаграмма хода вниз, величина недохода, графики действующих сил и скоростей приведены на рис. 3.2.

3.7 Определение энергии полного удара

Ускорение ПЧ при ходе вниз, :

Численное значение при ходе вниз вычисляем по формуле (3.38):

Для ВПЦ Время начала «мятия» пара в верхних окнах золотниковой втулки при полном ударе, с:

Численное значение вычисляем по формуле (3.39):

Путь, который проходят падающие части до начала мятия пара в верхних окнах золотниковой втулки при полном ударе, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.40):

Для НПЦ Время начала мятия пара в нижних окнах золотниковой втулки, с:

Численное значение вычисляем по формуле (3.43):

Путь, который проходят падающие части до начала «мятия» пара в нижних окнах золотниковой втулки, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.44):

Давление пара в ВПЦ, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.47):

Расчётные значения сведены в табл. 3.3.

Давление пара в НПЦ, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.48):

Расчётные значения сведены в табл. 3.3.

Суммарные силы инерции, H:

Численное значение вычисляем по формуле (3.49):

Расчётные значения сведены в табл. 3.3.

Скорости ПЧ при полном ударе :

Численное значение вычисляем по формуле (3.50):

Расчётные значения сведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3 — Расчётные значения предположительной индикаторной диаграммы полного удара, графиков действующих сил инерции и скоростей

Предположительная индикаторная диаграмма полного удара, графики действующих сил инерции и скоростей приведены на рис. 3.3.

Численное значение вычисляем по формуле (3.51):

Расчётная энергия больше, чем по ГОСТу.

3.8 Определение удельного расхода пара

Удельный расход пара определяем для случая, когда молот работает управляемый полными последовательными ударами.

Расход пара в НПЦ, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.52):

Расход пара в ВПЦ, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.53):

Суммарный расход пара, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.54):

=0,196

Удельный вес пара при давлении Р, кг:

где — удельный вес пара,, равный 3,591.

Численное значение вычисляем по формуле (3.55):

Удельный расход пара, :

Численное значение вычисляем по формуле (3.56):

3.9 Определение числа последовательных ударов

На основании индикаторной диаграммы первого холостого хода вверх и полного удара, определяем время перемещения ПЧ на каждом участке.

Длительность холостого хода на каждом участке, с:

Численное значение вычисляем по формуле (3.57):

Длительность холостого хода, с:

Длительность одного полного удара на каждом участке, с:

Численное значение вычисляем по формуле (3.59):

Длительность одного полного удара, с:

Число полных управляемых ударов:

3.10 Определение долевых размеров золотника и золотниковой втулки

Определяем ход золотника, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.62):

Размеры золотника Верхняя полка, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.63):

Нижняя полка:

Численное значение вычисляем по формуле (3.64):

0,042.

Средняя полка, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.65):

Размеры втулки Нижняя полка, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.66):

Промежуточная нижняя стенка золотниковой втулки, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.67):

Промежуточная верхняя полка золотниковой втулки, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.68):

Верхняя полка золотниковой втулки, м:

Численное значение вычисляем по формуле (3.69):

Полученные размеры золотника и золотниковой втулки обеспечивают работу молота только циклами качания. Для получения единичного удара золотник дополнительно поднимается на величину. Ввиду этого вычисляем соответствующие изменения в размерах.

Чтобы при дополнительном увеличении высоты промежуточной верхней полки золотниковой втулки не нарушалось заданное парораспределение, необходимо увеличить .

Долевые размеры золотника и золотниковой втулки представлены на рис. 3.4.

Рисунок 3.4 — Долевые размеры золотника и золотниковой втулки

3.11 Определение размеров впускной и выпусконой трубы из ГОСТ 8732: «Трубы стальные бесшовные горячекатаные»

Диаметр впускного трубопровода пара, м:

По ГОСТ принимаем наружный диаметр впускного трубопровода 114 мм. Минимальная толщина стенки 4 мм.

Диаметр выпускного трубопровода пара, м:

По ГОСТ принимаем наружный диаметр выпускного трубопровода 114 мм. Минимальная толщина стенки 4 мм.

4. Выбор средств механизации

Автоматизация и механизация процесса горячей штамповки позволяет повысить производительность, улучшить качество и точность поковок за счет стабилизации техпроцесса, облегчить работу и повысить безопасность труда.

4.1 Описание средств механизации и автоматизации, используемых для выполнения техпроцесса

Механизация и автоматизация процессов ковки и горячей штамповки проводится сравнительно медленными темпами. Это вызвано тем, что в качестве исходного материала для горячей штамповки чаще всего используются штучные заготовки. Помимо общих трудностей, связанных с процессом автоматизации из штучных заготовок возникают еще дополнительные:

Необходимость осуществлять нагрев заготовки, а, следовательно, необходимо решать задачу, связанную с автоматизацией работы печей;

Большое тепловыделение, требующее сокращения времени контакта заготовки и захватного органа;

Относительно высокая быстроходность основного технологического оборудования, часть работы сопровождается динамическими нагрузками;

Высокая трудоемкость вспомогательных операций, связанная с большим весом нагретых до высокой температуры заготовок и не имеющих четких по форме очертаний;

Необходимость делать несколько переходов для получения готовой детали.

Процесс горячей штамповки механизировать сложно, а другие технологические операции при данном типе серийности производства механизировать экономически невыгодно. На проектируемом штамповочном участке из доступных нам средств механизации предусмотрены только склизы и транспортёры. Склизы позволяют существенно облегчить труд рабочего, уменьшая время его взаимодействия с раскаленной поковкой, уменьшая при этом риск ожогов и травм.

Транспортёры спроектированы, чтобы заготовки подавались прямо на стол молота или пресса. Это позволяет обойтись без труда дополнительного рабочего, ускорить подачу заготовок от одного агрегата к другому, исключить переохлаждение поковок.

4.2 Организация рабочего места

Рисунок — 4.1 Организация рабочего места Заготовки из тары 1 нагревальщик 11 загружает с помощью клещей в камерную печь 2. После того как заготовки нагрелись до необходимой температуры, нагревальщик вынимает заготовки клещами и по склизу 3 передаёт их на стол штамповщика 4.

Штамповщик 12 берёт заготовки со стола клещами и производит штамповку на молоте 5.