Анализ DFM на основе правил для ковки

DFM-анализ ковки, основанный на правилах, представляет собой контролируемую деформацию металла в определенную форму под действием сжимающих сил . Процесс ковки восходит к 8000 году до нашей эры и развился из ручного искусства простого кузнечного дела . Тогда, как и сейчас, серия сжимающих ударов молотком выполняет формование или ковку детали. В современной ковке используются ударные молотки или прессы с механическим приводом, которые деформируют заготовку контролируемым давлением.

Процесс ковки превосходит литье тем, что образующиеся детали имеют более плотную микроструктуру, более четкий рисунок зерен и меньшую пористость , что делает такие детали намного прочнее, чем отливка. Все металлы и сплавы поддаются ковке, но каждый из них имеет рейтинг ковкости от высокого до низкого или плохого. материала Важными факторами являются состав , кристаллическая структура и механические свойства, которые рассматриваются в пределах температурного диапазона . Чем шире диапазон температур, тем выше рейтинг ковкости . Большая часть ковки выполняется на нагретых заготовках. Холодная ковка может происходить при комнатной температуре. Наиболее поддающиеся ковке материалы — алюминий . медь и магний . Более низкие рейтинги применяются к различным сталям , никелевым и титановым сплавам . Температуры горячей ковки варьируются от 93 до 1650 ° C (от 199 до 3 002 ° F) тугоплавких металлов .

Виды ковки

Открытая штамповка

При штамповке в открытых штампах цилиндрическую заготовку подвергают осадке между парой плоских штампов или плит . При однородной деформации без трения высота цилиндра уменьшается, а диаметр увеличивается. Ковка валов , дисков , колец и т.п. осуществляется методом открытой штамповки. В результате этого процесса отлитые квадратные слитки преобразуются в круглую форму. Ковка в открытых штампах подразделяется на три основных типа; зубчатая, валяльная и окантовочная.

Близкая штамповка

Также известная как ковка в штампах, оттиски изготавливаются с помощью пары штампов. Эти отпечатки передаются на заготовку при деформации. Между матрицами предусмотрен небольшой зазор, называемый желобом для заплаты, чтобы лишний металл мог стечь в желоб и образовать заплату. Оплавление играет важную роль при деформации заготовки внутри полости матрицы. Из-за большого соотношения длины и толщины водосточного желоба трение в зазоре очень велико. Из-за этого материал в зазоре подвергается высокому давлению. Имеет высокое сопротивление потоку. Это, в свою очередь, способствует эффективному заполнению полости матрицы. При горячей ковке заготовка остывает быстрее, поскольку она меньше по размеру. Это повышает устойчивость материала обшивки к сопротивлению деформации. В результате этого объем заготовки вынужден деформироваться и более эффективно заполнять полость штампа – заполняются даже сложные участки полости штампа.

Температура заготовки

В процессе ковки заготовка находится либо выше температуры рекристаллизации , либо ниже нее. Первый известен как горячая ковка , а второй — как холодная ковка .

Горячая ковка

Горячая ковка определяется как обработка металла при температуре выше его температуры рекристаллизации . Основное преимущество горячей ковки состоит в том, что при деформации металла эффекты деформационного упрочнения сводятся на нет процессом рекристаллизации.

Преимущества

1. Снижение предела текучести, поэтому работать легче и требуется меньше энергии (силы)
2. Увеличение пластичности
3. Повышенные температуры усиливают диффузию, которая может устранить или уменьшить химическую неоднородность.
4. Поры могут уменьшаться в размерах или полностью закрываться во время деформации.
5. В стали слабый пластичный аустенит FCC деформируется вместо прочного феррита BCC при более низких температурах.

Недостатки

1. Нежелательные реакции между металлом и окружающей атмосферой
2. Менее точные допуски из-за теплового сжатия и деформации из-за неравномерного охлаждения.
3. Зернистая структура может различаться по всему металлу по множеству различных причин.

Холодная ковка

Холодная ковка определяется как обработка металла при температуре ниже его температуры рекристаллизации, обычно около комнатной температуры.

Преимущества

1. Не требуется подогрев
2. Лучшее качество поверхности
3. Превосходный контроль размеров
4. Лучшая воспроизводимость и взаимозаменяемость
5. Металлу можно придать направленные свойства.
6. Проблемы загрязнения сведены к минимуму

Недостатки

1. Требуются высшие силы
2. Требуется более тяжелое и мощное оборудование и более прочные инструменты.
3. Металл менее пластичен.
4. Металлические поверхности должны быть чистыми и без окалины.
5. Промежуточные отжиги могут потребоваться для компенсации потери пластичности, сопровождающей деформационное упрочнение.
6. Приданные направленные свойства могут быть вредными.
7. Может возникнуть нежелательное остаточное напряжение.

Категории допусков

Группа 1

Допуски по длине, ширине и высоте, допуски на несоответствие, допуски на остаточный заусенец (и обрезанную плоскость) и допуски на просверленные отверстия.

Группа 2

Допуски по толщине и допуски на метку выталкивателя.

Группа 3

Допуски прямолинейности и плоскостности, а также допуски межцентровых размеров.

Группа 4

Допуски на радиусы скруглений и кромок, допуски на заусенцы , допуски на поверхность , допуски на углы наклона поверхностей , допуски на эксцентриситет для глубоких отверстий, допуски на эксцентриситет для прошивных отверстий, допуски на концентрические бобышки, допуски на некованую заготовку и допуски на деформацию срезанных концов.

Отклонения форм

Допуски на длину, ширину, высоту и толщину охватывают IL только отклонения размеров, а также отклонения формы, которые являются: а) некруглостью, б) отклонениями от цилиндричности, в) отклонениями от параллельности и г) другими отклонениями. от заданного контура. Отклонения не должны выходить за пределы, установленные допусками. В крайних случаях они могут охватывать всю область допусков, если иное не согласовано между поставщиком и покупателем. Если оговорены ограничения по отклонениям формы, это должно быть отмечено на чертеже.

Процедура проектирования

Информация, необходимая фальсификатору

Чтобы помочь поставщику поковок максимально эффективно использовать свой опыт как при проектировании штампов и инструментов, так и при установлении процедур контроля поковок, в интересах покупателя предоставить следующую информацию:

• Готовый обработанный рисунок;
• Детали и размеры мест обработки (о любых последующих изменениях в этих точках необходимо уведомлять заранее)
• Другая соответствующая информация об операциях механической обработки и функциях детали.

Подготовка

Рекомендуется, чтобы чертеж, который затем должен быть представлен фальсификатору, подготовил поковку покупателю для утверждения и, при необходимости, для совместной консультации.

В тех случаях, когда покупатель желает подготовить свой собственный чертеж поковки с полным размером, не менее важно, чтобы чертеж готовой обработанной детали и другая информация, упомянутая выше, были предоставлены поставщику.

Указание размеров на чертежах

Необходимо отметить, что, за исключением поверхностей с углом наклона, допуски, указанные в настоящем стандарте, должны применяться только к тем размерам, которые специально указаны на согласованном чертеже поковки.

По этой причине метод указания размеров на чертеже поковки имеет жизненно важное значение для контроля размеров поковки.

Допуски на размеры, не указанные на чертеже поковки, не могут быть взяты из стандарта, а могут определяться, при необходимости, только расчетом на основе размеров и допусков, уже указанных на согласованном чертеже поковки.

Указание допусков на чертежах

Все чертежи поковок должны быть подтверждены: «Допуски соответствуют стандарту IS: 3469 (Часть II)-1974, если не указано иное.

Для корректного согласования чертежей поковок рекомендуется следующая форма представления допусков в нижней части чертежа:

Категория: 1.Длина и габаритный диаметр 2. Ширина 3. Высота 4. Несоответствие 5. Остаточный заусенец и обрезанная плоскость 6. Толщина 7. Прямолинейность 8. Плоскостность 9. Радиусы скруглений и кромок 10. Поверхности

Любые допуски, применимые только к конкретным размерам, должны быть указаны на чертеже относительно соответствующих конкретных размеров. Допуски на следы выталкивателей и допуски на заусенцы должны быть показаны на чертеже поковки напротив конкретных мест. Любые специальные допуски, согласованные между покупателем и поставщиком, должны быть четко указаны на чертеже поковки и, по возможности, указаны напротив конкретных размеров.

Важность рисунков

Чертеж поковки, принятый покупателем, является действительным документом для проверки поковки. Этот чертеж также является единственным действительным документом с указанием допусков на части поковки, оставшиеся необработанными.

Процессы

Существует много различных видов процессов ковки, однако их можно сгруппировать в три основных класса: 1. Вытяжка: длина увеличивается, поперечное сечение уменьшается 2. Рассадка: длина уменьшается, поперечное сечение увеличивается 3. Сжатие в закрытых штампах сжатия. : создает разнонаправленный поток. Обычные процессы ковки включают в себя: валковую ковку, обжимку , зубчатую штамповку, ковку в открытых штампах, ковку в штампах, ковку на прессе, автоматическую горячую ковку и осадку.

Ковка молотом в открытом штампе

Ковка в открытых штампах также известна как кузнечная ковка. При свободной ковке молот опускается и деформирует заготовки, которые помещают на неподвижную наковальню. Ковка в открытом штампе получила свое название из-за того, что штампы (рабочие поверхности кузницы, сжимающие заготовку) не охватывают заготовку, позволяя ей течь, за исключением случаев контакта с штампами. Поэтому оператору необходимо сориентировать и расположить заготовку, чтобы получить желаемую форму. Матрицы обычно имеют плоскую форму, но могут иметь поверхность специальной формы для специализированных операций; например, матрица может иметь круглую, вогнутую или выпуклую поверхность или быть инструментом для образования отверстий или отрезным инструментом. Ковка в открытых штампах подходит для небольших тиражей и подходит для художественной ковки и индивидуальной работы. В других случаях ковка в открытых штампах используется для черновой обработки слитков, чтобы подготовить их к дальнейшим операциям. Это также позволяет ориентировать зерна для увеличения прочности в необходимом направлении.

Ковка методом оттискного штампа

Ковку в штампах также называют ковкой в ​​закрытых штампах. При штамповочной работе металл помещается в матрицу, напоминающую форму, прикрепленную к наковальне. Обычно молоток также имеет определенную форму. Затем молоток роняют на заготовку, заставляя металл течь и заполнять полости матрицы. Обычно молоток контактирует с заготовкой в ​​течение миллисекунд. В зависимости от размера и сложности детали молоток можно ронять несколько раз подряд. Излишек металла выдавливается из полостей штампа; это называется вспышка. Вспышка остывает быстрее, чем остальной материал; этот холодный металл прочнее, чем металл в штампе, поэтому помогает предотвратить образование большего количества бликов. Это также заставляет металл полностью заполнить полость матрицы. После ковки обшивка обрезается.

При коммерческой ковке в штампах заготовка обычно перемещается через ряд полостей в матрице, чтобы получить от слитка окончательную форму. Первый оттиск используется для распределения металла по черновой форме в соответствии с потребностями последующих полостей; этот отпечаток называется кромочным, валковым или изгибным. Следующие полости называются блокировочными полостями, в которых заготовке придается форма, все более напоминающая конечный продукт. На этих этапах обычно заготовке придают большие изгибы и большие скругления. Окончательная форма выковывается в слепочной полости окончательного или финишера. Если необходимо изготовить лишь небольшой тираж деталей, возможно, будет более экономично использовать штамп без полости для окончательного оттиска и вместо этого обработать окончательные детали.

В последние годы ковка в штампах получила дальнейшее развитие за счет увеличения автоматизации, которая включает индукционный нагрев, механическую подачу, позиционирование и манипуляции, а также прямую термообработку деталей после ковки.

Один из вариантов ковки в штампах называется безобплавочной ковкой или настоящей ковкой в ​​закрытых штампах. При этом типе ковки полости матрицы полностью закрыты, что предотвращает образование заусенцев в заготовке. Основным преимуществом этого процесса является то, что при вспышке теряется меньше металла. Флэш может составлять от 20 до 45% исходного материала. К недостаткам этого процесса относятся: дополнительные затраты из-за более сложной конструкции штампа, необходимость лучшей смазки и лучшего размещения заготовки.

Существуют и другие варианты формирования деталей, включающие ковку в штампах. Один из способов заключается в отливке поковочной заготовки из жидкого металла. Эту отливку затем снимают после того, как она остынет до твердого состояния, но еще горячая. Затем он обрабатывается в штампе с одной полостью. Вспышку обрезают, а затем охлаждают до комнатной температуры для закалки детали.

Другой вариант следует тому же процессу, который описан выше, за исключением того, что заготовка изготавливается путем распыления капель металла в формованные коллекторы (аналогично процессу скопы).

Ковка в закрытых штампах имеет высокие первоначальные затраты из-за создания штампов и необходимости проектных работ по изготовлению полостей рабочих штампов. Тем не менее, он имеет низкие периодические затраты на каждую деталь, поэтому поковки становятся более экономичными при большем объеме. Это одна из основных причин, по которой поковки часто используются в автомобильной и инструментальной промышленности. Другая причина, по которой поковки распространены в этих отраслях промышленности, заключается в том, что поковки обычно имеют примерно на 20% более высокое соотношение прочности и веса по сравнению с литыми или обработанными деталями из того же материала.

Проектирование штампованных поковок и оснастки

Ковочные штампы обычно изготавливаются из высоколегированной или инструментальной стали. Штампы должны быть ударопрочными, износостойкими, сохранять прочность при высоких температурах и обладать способностью выдерживать циклы быстрого нагрева и охлаждения. Чтобы изготовить более качественную и экономичную матрицу, следует соблюдать следующие правила:

1. Пластины должны разделяться по одной плоской плоскости, если это вообще возможно. В противном случае план разъема должен повторять контур детали. 2. Поверхность разъема должна быть плоскостью, проходящей через центр поковки, а не вблизи верхнего или нижнего края. 3. Должен быть предоставлен соответствующий проект; хороший ориентир — не менее 3° для алюминия и от 5° до 7° для стали. 4. Следует использовать большие скругления и радиусы. 5. Ребра должны быть низкими и широкими. 6. Различные секции должны быть сбалансированы, чтобы избежать чрезмерной разницы в текучести металла. 7. Следует в полной мере использовать преимущества пяти поточных линий. 8. Допуски на размеры не должны быть ближе, чем необходимо. Допуски размеров стальной детали, изготовленной методом штамповой штамповки, указаны в таблице ниже. На размеры поперек плоскости обрезки влияет закрытие штампов, и поэтому они зависят от износа штампа и толщины конечного заусенца. Размеры, которые полностью содержатся в одном сегменте или половине матрицы, могут поддерживаться со значительно более высоким уровнем точности. При ковке всегда используется смазка для уменьшения трения и износа. Он также используется в качестве тепловой барьер , ограничивающий передачу тепла от заготовки к штампу. Наконец, смазка действует как разделительный состав, предотвращая прилипание детали к одной из матриц.

Прессовая ковка

Ковка на прессе является разновидностью ковки с помощью молота. В отличие от ковки с помощью молота, ковка на прессах работает медленно, применяя постоянное давление или силу. Время, в течение которого штампы находятся в контакте с заготовкой, измеряется в секундах (по сравнению с миллисекундами в кузницах с ударным молотом). Основным преимуществом ковки на прессе по сравнению с ковкой на молоте является способность деформировать всю заготовку.

Ковка на молоте обычно деформирует только поверхности заготовки, соприкасающиеся с молотком и наковальней; внутренняя часть заготовки останется относительно недеформированной. У этого процесса есть несколько недостатков, большинство из которых связаны с тем, что заготовка находится в контакте со штампами в течение такого длительного периода времени. Заготовка остынет быстрее, поскольку матрицы соприкасаются с заготовкой; матрицы способствуют значительно большей теплопередаче, чем окружающая атмосфера. По мере охлаждения заготовка становится более прочной и менее пластичной, что может привести к растрескиванию, если деформация продолжится. Поэтому нагретые штампы обычно используются для уменьшения теплопотерь, улучшения поверхностного течения и обеспечения возможности изготовления более мелких деталей и более жестких допусков. Возможно, заготовку также потребуется повторно нагреть.

Ковка на прессе может использоваться для выполнения всех видов ковки, включая ковку в открытых штампах и штампах. Ковка на штамповом прессе обычно требует меньшей вытяжки, чем штамповка, и имеет более высокую точность размеров. Кроме того, поковку на прессе часто можно выполнить за одно закрытие матрицы, что позволяет легко автоматизировать процесс.

Расстроенная ковка

Расстроенная ковка увеличивает диаметр заготовки за счет сжатия ее длины. Судя по количеству произведенных деталей, это наиболее широко используемый процесс ковки. Ковку с высадкой обычно производят на специальных высокоскоростных станках; станки обычно настраивают для работы в горизонтальной плоскости, чтобы облегчить быструю смену заготовок с одной станции на другую. Исходной заготовкой обычно является проволока или стержень, но некоторые машины могут принимать прутки диаметром до 25 см (9,8 дюйма). В стандартной осадочной машине используются разъемные матрицы, содержащие несколько полостей. Матрицы открыты достаточно, чтобы заготовка могла перемещаться из одной полости в другую; Затем матрицы закрываются, и направляющий инструмент или плунжер перемещается в продольном направлении к стержню, выталкивая его в полость. Если все полости используются в каждом цикле, то готовая деталь будет изготавливаться с каждым циклом, поэтому этот процесс идеально подходит для массового производства.

Несколькими примерами распространенных деталей, производимых с использованием процесса высадки, являются клапаны двигателя, муфты, болты, винты и другие крепежные детали.

При проектировании деталей, подлежащих высадке, необходимо соблюдать следующие три правила:

• Длина неподдерживаемого металла, который можно опрокинуть одним ударом без опасного коробления, должна быть ограничена тремя диаметрами стержня.
• Заготовки длиной более чем в три раза превышающие диаметр заготовки могут быть успешно высажены при условии, что диаметр высаженной заготовки не более чем в 1,5 раза превышает диаметр заготовки.
• При высадке, требующей длины заготовки, превышающей в три раза диаметр заготовки, и когда диаметр полости не более чем в 1,5 раза превышает диаметр заготовки, длина незакрепленного металла за торцом матрицы не должна превышать диаметр стержня.

Автоматическая горячая ковка

Автоматический процесс горячей ковки включает в себя подачу стальных стержней прокатной длины (обычно длиной 7 м или 23 фута) в один конец машины при комнатной температуре, а с другого конца выходят изделия горячей ковки. Все это происходит очень быстро; мелкие детали могут изготавливаться со скоростью 180 частей в минуту (ppm), а более крупные - со скоростью 90 ppm. Детали могут быть сплошными или полыми, круглыми или симметричными, весом до 6 кг (13 фунтов) и диаметром до 18 см (7,1 дюйма). Основными преимуществами этого процесса являются высокая производительность и возможность использования недорогих материалов. Для эксплуатации оборудования требуется мало рабочей силы. При этом не образуется заусенец, поэтому экономия материала составляет 20–30 % по сравнению с обычной ковкой. Конечный продукт имеет постоянную температуру 1050 ° C (1920 ° F), поэтому охлаждение на воздухе приведет к тому, что деталь по-прежнему легко поддается механической обработке (преимущество заключается в отсутствии необходимости отжига после ковки). Допуски обычно составляют ±0,3 мм (0,012 дюйма), поверхности чистые, а углы уклона составляют от 0,5 до 1°. Срок службы инструмента почти вдвое выше, чем у обычной ковки, поскольку время контакта составляет порядка 6/100 секунды.

Обратной стороной этого процесса является то, что он возможен только для небольших симметричных деталей и стоит дорого; первоначальные инвестиции могут превышать 10 миллионов долларов, поэтому для оправдания этого процесса необходимы большие объемы инвестиций. Процесс начинается с нагрева стержня до температуры от 1200 до 1300 °C (от 2190 до 2370 °F) менее чем за 60 секунд с использованием индукционных катушек высокой мощности. Затем с него удаляют окалину с помощью валков, разрезают на заготовки и переносят на несколько последовательных стадий формовки, в ходе которых его высаживают, предварительно формуют, окончательно проковывают и прокалывают (при необходимости). Этот процесс также может сочетаться с высокоскоростными операциями холодной штамповки. Как правило, операция холодной штамповки является завершающим этапом, чтобы можно было воспользоваться преимуществами холодной обработки, сохраняя при этом высокую скорость автоматической горячей штамповки.

Примерами деталей, изготовленных с помощью этого процесса, являются: подшипники ступиц колес, трансмиссионные шестерни, кольца конических роликовых подшипников, соединительные фланцы из нержавеющей стали и горловые кольца для баллонов со сжиженным газом. Механические трансмиссии являются примером автоматической горячей ковки, используемой в сочетании с холодной обработкой.

Валковая ковка

Валковая ковка — это процесс, при котором круглая или плоская заготовка уменьшается в толщине и увеличивается в длине. Ковка валков выполняется с использованием двух цилиндрических или полуцилиндрических валков, каждый из которых содержит или несколько фигурных канавок. Пруток вставляется в валки, и когда он достигает упора, валки вращаются, и пруток постепенно приобретает форму по мере его выкатывания из машины.

Затем заготовку переносят в следующий набор пазов или разворачивают и снова вставляют в те же пазы. Так продолжается до тех пор, пока не будет достигнута желаемая форма и размер. Преимущества этого процесса заключаются в отсутствии обломков и придании заготовке благоприятной зернистой структуры. Примеры продукции, произведенной с использованием этого метода, включают оси, конические рычаги и листовые рессоры.

Поковка сетчатой ​​и почти сетчатой ​​формы

Этот процесс также известен как прецизионная ковка. Этот процесс был разработан для минимизации затрат и отходов, связанных с операциями после штамповки. Таким образом, конечный продукт прецизионной ковки практически не требует окончательной механической обработки. Экономия затрат достигается за счет использования меньшего количества материала и, следовательно, меньшего количества отходов, общего снижения потребляемой энергии и сокращения или исключения механической обработки. Прецизионная ковка также требует меньшего уклона — от 1° до 0°. Недостатком этого процесса является его стоимость, поэтому его реализуют только в том случае, если можно добиться значительного снижения затрат.

Оборудование

Самым распространенным ковочным оборудованием являются молот и наковальня . Принципы, лежащие в основе молота и наковальни, до сих пор используются в оборудовании для отбойных молотков. Принцип работы машины очень прост: поднимите молот, а затем бросьте его или толкните в заготовку, которая лежит на наковальне. Основные различия между падающими молотками заключаются в способе привода молота; наиболее распространенными являются воздушные и паровые молоты. Откидные молоты обычно работают в вертикальном положении. Основная причина этого заключается в том, что избыточная энергия (энергия, которая не используется для деформации заготовки), которая не выделяется в виде тепла или звука, должна передаваться фундаменту. Более того, для поглощения ударов необходима большая машинная база.

Чтобы преодолеть некоторые недостатки падающего молота, используется противоударная машина или ударник. В машине с встречным ударом молоток и наковальня движутся, и заготовка удерживается между ними. Здесь избыточная энергия становится отдачей. Это позволяет машине работать горизонтально и имеет меньшую базу. Другие преимущества включают меньший шум, нагрев и вибрацию. Это также создает совершенно другую структуру потока. Обе эти машины могут использоваться для ковки в открытых и закрытых штампах. Для штамповки на прессе используется ковочный пресс, часто называемый просто прессом.

Существует два основных типа: механические и гидравлические прессы. Механические прессы работают за счет использования кулачков, кривошипов или рычагов для создания заданного (заданного усилия в определенном месте хода) и воспроизводимого хода. Из-за особенностей системы этого типа в разных положениях хода действуют разностные силы. Механические прессы работают быстрее своих гидравлических аналогов (до 50 ходов в минуту). Их мощность варьируется от 3 до 160 МН (от 300 до 18 000 тонн). Гидравлические прессы используют давление жидкости и поршень для создания силы. Преимуществом гидравлического пресса перед механическим является его гибкость и большая производительность. Недостатками являются то, что они медленнее, крупнее и дороже в эксплуатации. Для валковой ковки, высадки и автоматической горячей ковки используется специализированное оборудование.