111_1174Под объемной штамповкой понимают процесс, при котором металл заготовки деформируется с изменением всех размеров заготовки, принимая форму рабочей поверхности специального инструмента — штампа. Горячую штамповку ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения. Преимущества объемной штамповки перед свободной ковкой — прежде всего в значительно более высокой производительности и точности, размеров, а также в лучшем качестве поверхности изделий. При этом резко сокращается дальнейшая чистовая обработка резанием. Штамповкой получают детали исключительно сложной формы. Однако необходимо учитывать, что штамп годен только для изготовления той поковки, для которой он спроектирован, в отличие от универсального инструмента свободной ковки.
Штампы представляют собой массивные толстостенные детали, в которых выполнены рабочие полости — гравюры, формообразующие поковку. Штамп состоит минимум из двух частей — половин. Поверхность совпадения частей штампа называют поверхностью разъема. Штамп, состоящий из нескольких частей, каждая из которых имеет часть общей гравюры, называют многоразъемным.
Различают открытые и закрытые штампы. В простейшем случае открытый штамп для цилиндрической детали (рис. а) имеет гравюру в одной половине, а вторая половина является плоским бойком. Если объем заготовки в точности равен объему полости гравюры (поковки), то заполнение гравюры будет идеальным (см. рис. б, в). Однако практически трудно получить заготовку точного объема, поэтому ее выполняют несколько большей, чтобы гарантировать заполнение гравюры, как показано на рис. г — е. Избыток металла вытекает в разъем штампа в виде облоя (заусенца). Такую штамповку называют облойной, а штамп — облойным. Облой является отходом и подлежит удалению.
Поковка, упруго разжимая штамп в момент штамповки, сильно охватывается им после снятия нагрузки. Чтоб легче извлечь поковку из штампа, его стенки делают наклонными к разъему. Штамповочный уклон (а) остается в виде напуска на теле поковки.
Закрытые штампы характеризуются тем, что гравюра выполняется в одной из половин штампа, а другая половина входит в первую, запирая ее (см. рис.). В таком штампе весь объем металла заготовки остается в поковке. Выход для облоя не предусмотрен; штамп и штамповку называют безоблойными.
Штампы подвергаются чрезвычайно высоким нагрузкам — механическим и тепловым. При штамповке стали удельные усилия на поверхности гравюры достигают 1 ГН/м2, а температура на контакте с поковкой составляет 700-800 °С, поэтому штампы изготовляют из закаленной и отпущенной штамповой стали, легированной хромом, никелем, вольфрамом, молибденом, ванадием. Стойкость горячих штампов невелика — 3000-10000 шт. поковок. Учитывая высокую стоимость штампа, следует отметить, что горячая штамповка выгодна только для достаточно больших партий деталей (тысяч и десятков тысяч штук).
Штамповку осуществляют на различных машинах: штамповочных молотах, кривошипных горячештамповочных прессах, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных и горизонтально-гибочных машинах, ковочных вальцах и др. Из штамповочных молотов наибольшее применение получили паровоздушные молоты двойного действия и приводные фрикционные молоты простого действия.
Паровоздушные штамповочные молоты имеют аналогичный ковочным молотам принцип действия, отличаясь от них наличием двухстоечной станины непосредственно на шаботе, а также усиленными регулируемыми направляющими для движения бабы, что обеспечивает необходимую точность соударения штампов. Масса падающих частей паровоздушных штамповочных молотов обычно не превышает 20-30 т. Такие молоты — относительно дешевое оборудование.
Приводные фрикционные молоты имеют ряд конструктивных разновидностей. Наибольшее распространение получили фрикционные молоты с доской, масса падающих частей которых до 5 т.
Производительность фрикционных молотов ниже, чем паровоздушных. Кроме того, их конструкция не позволяет регулировать энергию удара в процессе штамповки, что очень важно, если поковка сложной формы. Поэтому фрикционные молоты получили меньшее распространение, чем паровоздушные.
Как правило, молотовые штампы делают монолитными, с одной поверхностью разъема и без выталкивателей. Обе половины штампа закреплены в подушке и бабе забивными клиньями. Обычная штамповка на молоте — облойная ввиду отсутствия выталкивателей и ведется в несколько ударов.
Когда поковка несложной формы, ее штампуют сразу из проката (квадрат, круг, полоса). Для поковок сложной формы исходную заготовку изготовляют специально, чтобы получить максимальное подобие конфигурации заготовки и поковки. Эти операции выполняют свободной ковкой или штамповкой. Часто применяют многоручьевые штампы, имеющие несколько полостей (ручьев) для последовательной деформации заготовки. Технологией штамповки может предусматриваться последовательное использование ряда штампов, установленных на нескольких молотах или на нескольких различных машинах: например, молотах и прессах, молотах и ковочных вальцах. В многоручьевых штампах, применяемых для получения заготовки, встречаются следующие основные виды ручьев: штамповочные, заготовительные и отрубной (нож).
Штамповочные ручьи бывают окончательными (чистовыми) и предварительными (черновыми). Окончательный ручей, обязательный для любого штампа, предназначен для штамповки уже готовой поковки (с облоем). Деформация в нем невелика, что позволяет повысить точность размеров поковки. Остальные ручьи применяют в различных сочетаниях в зависимости от формы поковки.
Предварительный ручей применяют при штамповке поковок сложной формы для уменьшения износа окончательного ручья. Основная деформация, необходимая для получения конечной формы поковки, происходит в предварительном ручье, повторяющем по форме окончательный ручей, но с большими радиусами закруглений и без канавки для заусенца.
Заготовительные ручьи предназначены для перераспределения массы заготовки по главным осям поковки согласно распределению массы в поковке. К ним относятся формовочный, пережимной, подкатной, протяжной и гибочный ручьи.

  • В формовочном ручье заготовке придается форма, приближающаяся к форме поковки в плоскости разъема штампов. При этом площадь поперечного сечения заготовки изменяется незначительно.
  • Пережимной ручей предназначен для уширения заготовки без ее заметного удлинения. В формовочный и пережимной ручьи заготовка поступает чаще без предварительной обработки, реже — после протяжного ручья. После обработки в формовочном и пережимном ручьях заготовка попадает в штамповочный ручей (предварительный или окончательный).
  • Подкатной ручей позволяет перераспределять объем металла вдоль оси заготовки в соответствии с формой поковки, т.е. увеличивать одни поперечные сечения за счет уменьшения других. Заготовка поступает в подкатной ручей либо без предварительной обработки, либо из протяжного ручья. После каждого удара в подкатном ручье заготовку кантуют. После подкатного ручья заготовка попадает чаще всего в штамповочный ручей, реже — в гибочный или формовочный.
  • В протяжном ручье площади поперечных сечений отдельных участков заготовки уменьшаются за счет протяжки. В этом ручье обычно осуществляется первая штамповка, после чего заготовка передается в любой другой ручей.
  • Гибочный ручей придает заготовке форму, соответствующую форме поковки в плоскости разъема штампов, путем гиба. Гибочный ручей может применяться в любой последовательности среди заготовительных ручьев.
  • Отрубной ручей применяется при штамповке поковки от прутка, т.е. одна заготовка (пруток) служит для последовательной штамповки нескольких поковок. В этом случае готовую поковку отрубают от прутка отрубным ножом.

Многочисленный класс кузнечных машин составляют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). Рабочей частью таких прессов служит ползун, совершающий возвратно-поступательное движение (вниз и вверх) при полном повороте кривошипного вала.
Кривошипные горячештамповочные прессы усилием 2-100 МН, позволяющим производить штамповку в открытых штампах, выдавливанием, прошивкой имеют выталкиватели, с помощью которых поковка автоматически извлекается из штампов. В этом их основное преимущество перед молотами. Кроме того, штам¬повочные уклоны на поковках с прессов в несколько раз меньше, припуски также меньше, поковки легче. Значительно выше точность поковки, особенно по ее высоте в связи с тем, что ползун имеет жесткий ход. Производительность кривошипного пресса в 1,5-3 раза выше производительности молота, так как обработка в одном ручье штампа осуществляется за один ход ползуна, а на молоте — за несколько ударов.
Однако следует учитывать, что штамповка на кривошипном прессе имеет и недостатки. Заготовка должна поступать на пресс очищенной от окалины, а подкатку и протяжку на прессе выполнять трудно и неэффективно: эти операции приходится осуществлять на другой кузнечной машине, например молоте, ковочных вальцах.
Вследствие упругой деформации частей пресса в завершающий момент штамповки верхняя и нижняя половины штампа не соприкасаются, и высота поковки увеличивается за счет упругой деформации. Это учитывается конструкцией и настройкой штампов. Особенно эффективна на КГШП штамповка выдавливанием металла по оси движения инструмента. Отсутствие ударных нагрузок позволяет делать штампы КГШП сборными из вставок, смонтированных в блоках штамподержателей.
Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) — еще более сложное оборудование, чем КГШП, и имеют штампы, состоящие из трех частей: неподвижной матрицы, подвижной матрицы и пуансона с разъемом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
На горизонтально-ковочной машине можно выполнять несколько последовательных штамповок в различных ручьях, оси которых расположены горизонтально одна над другой. Привод ползуна — от кривошипно-шатунного механизма, с косым с помощью бокового ползуна и системы рычагов связана подвижная щека. Таким образом, движения ползуна и щеки имеют жесткую связь, т.е. каждому положению ползуна соответствует определенное положение подвижной щеки. Горизонтально-ковочные машины развивают усилие на ползуне до 30 МН. Наиболее эффективно использовать горизонтально-ковочные машины для получения деталей имеющих форму различных тел вращения. Основная операция, при которой достигается максимальная производительность машины (до 900 поковок/ч), — высадка или высадка с прошивкой.

Гидравлические штамповочные прессы по принципу действия не отличаются от ковочных, но имеют значительно большую мощность, что связано с большей энергоемкостью процесса штамповки. Современные гидравлические штамповочные прессы развивают усилие до 700 МН. Система привода — насос или насос с аккумулятором. Эти прессы предназначены в основном для штамповки в закрытых штампах; с прошивкой и в комбинации с другими операциями; в открытых штампах с образованием заусенца; для протяжки прошивных заготовок через кольца или вращающиеся ролики. Последняя операция является по существу проталкиванием не до конца прошитой заготовки с донышком, в которое упирается пуансон, через волоку.
На гидравлических прессах можно штамповать поковки сложной формы в многоручьевых штампах, поэтому они играют важную роль в производстве сложных деталей из алюминиевых сплавов. На гидравлических прессах большой мощности штампуют крупногабаритные поковки из стали, титана и легких сплавов размерами в несколько метров, массой до 1 т. Нагретые стальные заготовки перед штамповкой следует очищать от окалины, так как к качеству поверхности полученных поковок предъявляются повышенные требования.
Винтовые фрикционные прессы сочетают ударное и статическое действие и относятся к машинам промежуточного вида между молотами и прессами. К особым преимуществам этих прессов следует отнести простоту конструкции, наличие выталкивателя и возможность точного дозирования энергии удара регулировкой хода ползуна. Благодаря этому винтовые прессы применяют при производстве точных турбинных лопаток без припусков на механическую обработку.
Прессы выпускают усилием до 20 МН, а в новой модификации с гидравлическим приводом (гидровинтовые прессы) до 40 МН. Традиционная область применения фрикционных прессов — горячая штамповка: высадка крепежных деталей, облойная и безоблойная штамповка, чеканка и калибровка. На прессах успешно штампуют зубчатые шестерни, причем точность штамповки достигает 0,1-0,2 мм.
Горизонтально-гибочные машины (больдозеры) фактически являются горизонтальными прессами с приводом ползуна от кривошипно-шатунного механизма. В стандартных конструкциях усилие на ползуне не превышает 5 МН. В основном на этих машинах производят штамповку гибкой, кроме того, можно пробивать отверстия. Заготовкой служит прокат различных профилей или поковка.
Ковочные вальцы имеют два валка с закрепленными секторными штампами. В момент, когда при вращении валков штампы расходятся, заготовка подается до упора. Когда штампы сходятся, они обжимают заготовку, выталкивая ее при этом на передний стол. На ковочных вальцах производят в основном вытяжку с изменением формы в продольных и поперечных сечениях в зависимости от конструкции ручьев секторных штампов.