Ковка в закрытых штампах: процесс, материалы, допуски и выбор поставщика

Ковка в закрытых штампах создает компоненты с лучшим внутренним потоком зерен, чем обработка из прутков, а для средних и больших объемов стоимость за штуку обычно ниже, чем у альтернативных обработанных деталей. В этом процессе нагретый металл прессуется в пару фигурных штампов, которые полностью охватывают заготовку, заставляя материал заполнять полость при каждом ударе. Как только вы поймете, как это влияет на прочность, количество отходов материала и скорость производства, вы сможете принимать более разумные решения о выборе поставщиков для зубчатых валов, фланцев, ступиц колес и других важных деталей. В этой статье вы найдете практические подробности, включая этапы процесса, варианты материалов, ожидаемые допуски и критерии поставщика.

Как работает закрытая штамповка

Принцип прост: металлический блок нагревается выше температуры рекристаллизации, помещается в нижнюю матрицу и ударяется верхней матрицей, которая приводит материал в форму полости. При типичной операции прессования или молотка последовательность действий следующая:

1. Нарежьте пруток или заготовку расчетного объема и нагрейте до температуры ковки (для стали обычно от 1050 до 1250 градусов Цельсия, для алюминия от 400 до 500 градусов Цельсия).
2. Выполните операцию предварительного формования или блокирования, чтобы распределить металл в областях с высоким заполнением.
3. Запустите чистовую матрицу, чтобы сформировать окончательную геометрию; избыток материала выходит в виде вспышки.
4. Обрезайте заготовку на обрезном прессе, а иногда выполняйте чеканку или калибровку для более жестких допусков.
5. Термическая обработка поковки путем нормализации, закалки и отпуска для достижения необходимых механических свойств.

Матрицы изготавливаются из низколегированной инструментальной стали, обычно предварительно закаленной, а их геометрия определяет углы уклона, радиусы и припуски на обработку. Поскольку металл течет, а не разрезается, линии зерен повторяют контур детали, что повышает устойчивость к изгибу и ударной нагрузке. Производители молотов разных размеров, например, 3-тонные, 5-тонные и 15-тонные электрогидравлические молоты ACE, могут выбрать подходящий тоннаж для каждого компонента.

Почему ковка в закрытых штампах превосходит обработку несущих деталей

Если ваш компонент будет выдерживать изгибающие или усталостные нагрузки, выберите ковку в закрытых штампах вместо обработки из прутковой заготовки. Вырезание формы из цельного прутка создает разрыв, где волокна зерна разрываются, а при ковке волокна изгибаются вокруг формы детали. Практический результат — более высокая усталостная прочность, лучшая ударная вязкость и меньшее количество отказов в эксплуатации. Это преимущество наиболее важно для коленчатых валов, зубчатых валов, шатунов и подобных деталей. Для простых деталей с низкой нагрузкой механическая обработка все еще может быть экономически эффективной.

Использование материала – еще одно явное отличие. При типичной штамповке в закрытых штампах используется от 80 до 90 процентов исходного материала, тогда как при обработке прутков часто остается от 40 до 50 процентов в виде стружки, в зависимости от сложности детали. На диаграмме ниже показаны типичные диапазоны.

Диаграмма показывает, что штамповка и литье в закрытых штампах сохраняют большую часть исходного материала, в то время как обработка пруткового материала удаляет большую его часть в виде стружки. Процесс с закрытым штампом часто достигает диапазона от 80 до 90 процентов, потому что вспышка обрезается и перерабатывается. При штамповке в открытых штампах используется более простой набор инструментов, но с меньшей эффективностью использования материала, поскольку форма создается путем контролируемой деформации и часто остается дополнительный припуск. Обработка из прутка наименее эффективна, когда сложный контур создается за счет вычитания материала. Для дорогостоящих сплавов экономия сырья при штамповке в закрытых штампах может компенсировать инвестиции в оснастку при скромном производственном цикле. Вот почему покупатели, работающие с нержавеющей сталью или никелевыми сплавами, часто сравнивают расценки на ковку с расценками на механическую обработку, прежде чем завершить проект.

Для зубчатого вала закрытая матрица создает поток зерна, который обволакивает корни зубьев, что дает ощутимое преимущество в усталости при изгибе.

Поковки валов шестерен закрытого типа для морского и портового оборудования Поковки вала шестерни из высокопрочного сплава с интегрированной конструкцией вала и шестерни, устойчивы к коррозии в морской воде и тяжелым нагрузкам в портовых кранах и судовых палубных механизмах. Посмотреть продукт →

Поведение стоимости при разных объемах

Предварительное оснащение меняет картину затрат. Комплект закрытых штампов может стоить тысячи долларов, но стоимость штамповки за штуку остается низкой и стабильной после оплаты штампа. Механическая обработка имеет меньший барьер для инструментов, но более высокие переменные затраты на деталь. Кроссовер обычно состоит из нескольких сотен и нескольких тысяч деталей, в зависимости от геометрии и материала. На графике ниже показана общая форма двух кривых затрат.

Точка пересечения отмечает объем, при котором штамповка в закрытых штампах становится дешевле, чем механическая обработка. До этого момента амортизация штампа делает поковку более дорогой; после этого выигрывают меньшие отходы материала и более быстрое время цикла. По простой части кроссовер может составить около 500 единиц; для сложной детали из нержавеющей стали оно может быть ниже 300 единиц. Покупателям следует запрашивать как амортизацию инструмента, так и цену за штуку, а не сравнивать только указанные цены за единицу. Многие поставщики поковок указывают инструменты отдельно, поэтому кривая общих затрат более значима, чем одно число.

Материалы, используемые при штамповке в закрытых штампах

Большинство поковок в закрытых штампах изготавливаются из углеродистой стали, легированной стали, нержавеющей стали, алюминия, латуни и титана. Сталь остается доминирующей, поскольку она сочетает в себе прочность, стоимость и предсказуемую реакцию на термообработку. В таблице ниже приведены распространенные варианты выбора и типичные области применения.

Если в вашей конструкции используется нержавеющая сталь, ковка должна выполняться в определенном температурном диапазоне, чтобы избежать роста зерен и выделения карбидов. Некоторые марки нержавеющей стали требуют отжига после ковки для восстановления коррозионной стойкости. Подробные сведения о процессе см. в нашем руководстве по ковка из нержавеющей стали . Хорошим примером является поковка грязесъемника рабочего колеса из нержавеющей стали SS316L, используемая в оборудовании для пищевой и кормовой промышленности, где важны как стойкость к коррозии, так и износостойкость, а маршрут ковки обеспечивает выравнивание потока зерна с формой лопатки.

Поковки стеклоочистителя рабочего колеса SS316L для оптимизации потока материала Эти дефлекторы потока из нержавеющей стали улучшают путь и распределение потока в питающем оборудовании, обеспечивая устойчивость к износу, нагреву, коррозии и усталости для стабильной работы. Посмотреть продукт →

Где используются поковки закрытого типа

Поковки в закрытых штампах появляются везде, где надежность имеет значение: редукторы ветряных турбин, судовые силовые валы, дробилки, экскаваторы, клапаны высокого давления и оборудование для пищевой промышленности. В ветряных турбинах планетарные и солнечные шестерни часто изготавливают так, чтобы они выдерживали циклические нагрузки в течение 20 и более лет. В судостроении промежуточные и кормовые валы куют, потому что сломанный вал в море недопустим. В горнодобывающей промышленности шпиндели дробилок и гусеницы экскаваторов должны противостоять ударам и усталости. На нефтехимических заводах корпуса клапанов и фланцы подвергаются воздействию высокого давления и агрессивных сред.

Вот почему ACE предлагает специализированные линейки продукции для электроэнергетики, судового и портового оборудования, горнодобывающей, нефтехимической и пищевой промышленности. Вы можете просмотреть всю формировать ассортимент продукции чтобы увидеть стандартные размеры и доступные марки стали.

Для редукторов ветряных турбин сочетание размера и усталостной нагрузки делает ковку в закрытых штампах предпочтительным способом изготовления солнечных шестерен и водил сателлитов.

Поковки солнечной шестерни для больших ветряных турбин из науглероженной стали Прецизионные солнечные шестерни из 18CrNiMo7-6 с высокой поверхностной твердостью и прочностью сердечника, предназначенные для многомегаваттных редукторов, способных выдерживать циклические нагрузки и удары. Посмотреть продукт →

Допуски, срок службы матрицы и ограничения на детали

При штамповке в закрытых штампах типичные допуски для мелких деталей составляют от плюс-минус 0,5 до 1,5 мм, а диапазон допусков увеличивается с увеличением общего размера. Срок службы штампа зависит от температуры ковки, материала, материала штампа и смазки. Детали из углеродистой стали обычно изготавливаются из 5000–15 000 деталей на один комплект штампов, в то время как никелевые сплавы могут сократить срок службы штампа до менее чем 2000 ударов. Вот почему покрытие штампов и правильное охлаждение имеют решающее значение в производственном цехе.

Усталостное преимущество ковки видно в относительных испытаниях на производительность. В приведенной ниже таблице сравнивается усталостная прочность поковки в закрытых штампах, обработанного стержня и отливки.

Сравнение нормализовано к ковке в закрытых штампах при 100 относительных точках. При обработке прутков этот уровень сохраняется примерно на 80 процентов, поскольку механическая обработка прорезает волокна зерна, которые несут изгибающие нагрузки. Литье составляет около 65 процентов, в зависимости от пористости и дефектов затвердевания. Числа не являются абсолютными материальными свойствами; они представляют собой типичные различия в усталостном поведении при одном и том же цикле напряжений. Вот почему критически важные для безопасности компоненты, такие как поворотные кулаки, шестерни и детали кранов, требуют кованой заготовки, когда объем производства оправдывает использование оснастки.

Как выбрать поставщика штамповки в закрытых штампах

Не ограничивайтесь самой низкой ценой. Оцените поставщика по показателям использования материалов, механической прочности, качества поверхности, гибкости конструкции и экономической эффективности в больших объемах. На приведенной ниже диаграмме сравнивается ковка в закрытых штампах с механической обработкой типичной несущей детали; Многоугольник с закрытой матрицей намного шире по прочности и стоимости, а механическая обработка выигрывает по чистоте поверхности и гибкости конструкции.

Радарная диаграмма объединяет сравнение процессов в пять измерений. Ковка в закрытых штампах демонстрирует сильное преимущество в использовании материала и экономической эффективности при больших объемах, поэтому она доминирует над критически важными деталями массового производства. Обработка прутков по-прежнему выигрывает с точки зрения качества поверхности и гибкости конструкции, особенно для прототипов и небольших партий. Более узкий полигон обработки объясняет, почему механическая прочность снижается при сокращении потока зерна. Используйте эту структуру, чтобы взвесить свои собственные требования: если усталость имеет решающее значение, ковка должна иметь более высокий рейтинг. Если вам нужны одноразовые прототипы или быстрые изменения конструкции, механическая обработка может быть более безопасным путем.

• Проверьте тоннаж оборудования. Размеры молота определяют максимальный вес детали и ход матрицы; Компания ACE располагает 3-тонными, 5-тонными и 15-тонными электрогидравлическими молотами, а также кольцепрокатными станами шириной 1 метр и 1,5 метра.
• Ищите возможности термообработки и чистовой обработки самостоятельно. Это сокращает время выполнения заказа и позволяет избежать двойной обработки между субподрядчиками.
• Спросите о нестандартной индивидуальной ковке. Если ваш чертеж выходит за рамки стандартного каталога, поставщик, имеющий опыт проектирования штампов по индивидуальному заказу, может оптимизировать размещение материала и сократить припуски на обработку.
• Изучите документацию по качеству. Подтвердите, как поставщик проверяет первые изделия, контролирует термообработку и отслеживает отслеживание материалов.
• Оцените производственные мощности. Специализированный ковочный завод с расширяющейся мощностью обеспечивает стабильную поставку как прототипов, так и запланированных партий.