книги из ГПНТБ / Шнейдер, Юрий Григорьевич. Холодная бесштамповая обработка точных деталей давлением

ГЛАВА I

СУЩНОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА ХОЛОДНОЙ

В машино- и приборостроении наиболее широко применяется холодная обработка металлов резанием. Существенными недостат­ ками такой обработки являются:

а) значительный отход обрабатываемого металла, подчас доро­ гого и дефицитного (особенно на предварительных операциях); б) ослабление поверхностного слоя металла и снижение его

эксплуатационных свойств вследствие надрезания волокон;

труда при чистовой и отделочной обработке точных деталей; е) широкое применение инструментальных материалов, в состав

которых входят дорогостоящие металлы (вольфрам, титан, кобальт

и др.).

Перечисленные выше недостатки не характерны для обработки металлов давлением в холодном состоянии. Этот процесс произво­

дится без снятия стружки и поэтому не сопряжен с отходом обраба­ тываемого металла. В этом случае поверхностный слой металла

не ослабляется, а происходит его упрочнение, увеличиваются пре­ делы прочности и текучести, повышается твердость. При этом в поверхностном слое металла создаются сжимающие напряжения,

благоприятные для сопротивления металла нагрузкам различного рода. В поры обрабатываемого металла не проникают инородные частицы, чистота поверхности соответствует высоким классам

(8, 9-му и выше). Обработка давлением требует использования высо­ коквалифицированного труда лишь при освоении процесса.

Указанные достоинства, сочетающиеся с высокой производитель­ ностью, делают обработку давлением весьма перспективной для всех отраслей металлообрабатывающей промышленности. Внедрение этого метода в производство в ряде случаев позволит избежать обработки

деталей на металлорежущих станках.

5

Однако эффективное практическое использование современных достижений в данной области осуществимо лишь при условии исполь­ зования конструкторами и технологами особенностей и возможностей

этих процессов.

Обработка металлов давлением в холодном состоянии основана на использовании их пластических свойств, т. е. способности в опре­

деленных условиях принимать под влиянием внешних сил, действую­ щих статически или динамически, остаточные деформации без нару­ шения целостности. Заготовке придаются требуемые форма и размер за счет перераспределения ее элементарных объемов. При этом исход­ ный объем заготовки остается постоянным. Одновременно с пласти­ ческой деформацией металла здесь имеет место и упругая деформация.

Механизм упругой и пластической деформации объясняется современной теорией следующим образом [1].

В зависимости от величины прилагаемого усилия происходят лишь временное изменение межатомных расстояний в объемной кристаллической решетке обрабатываемого металла или внутрикристаллические и межкристаллические сдвиги. Если деформация носит временный характер и при удалении действующей нагрузки полностью исчезает, то тело принимает исходную форму. Когда при­ лагаемые силы достигают определенного значения, помимо упругой деформации появляется пластическая (остаточная) деформация,

сохраняющаяся после удаления усилия, и тело приобретает новую

форму.

Изменение объема металла вследствие его сжимаемости при упру­ гой деформации может быть весьма ощутимым и в ряде случаев должно учитываться. Так, в условиях всестороннего сжатия при давлении 100 кг/мм2 объем железа изменяется на 0,6%, меди — на 1,3%, а цезия — на 30% (при давлении 150 кг/мм2').

Обратимое изменение объема, а следовательно, и размеров при­ ходится учитывать почти при всех методах холодной бесштамповой обработки металлов давлением, особенно при таких, как калибро­ вание точных отверстий, прошивание и протягивание выглаживаю­ щим инструментом, накатывание и раскатывание роликами и шари­ ками, прокатка и волочение профилей.

Изменение формы и размеров обрабатываемых деталей вследствие упругой деформации таких инструментов, как валки для холодной прокатки лент, ролики и накатники для накатывания точных резьб и зубчатых колес, учитывают путем соответствующей корректировки

формы и размеров их рабочих элементов. В некоторых пределах деформации прямо пропорциональны напряжениям, т. е. подчи­

няются закону Гука.

Поскольку реальный металл представляет собой множество анизотропных, беспорядочно расположенных кристаллов, упругие

свойства металла во всех направлениях примерно одинаковы и опре­

деляются некоторыми средними значениями.

Пластическая деформация, внешним проявлением которой является необратимое изменение формы и размеров металлического тела без нарушения его сплошности, заключается в принудительном,

6

необратимом перемещении отдельных атомов или группы их, пред­ ставляет собой сложнейший процесс, изучение и управление которым осложняется следующими факторами.

Все без исключения технические металлы являются сплавами, содержащими в тех или иных количествах растворимые или нераство­ римые примеси и характеризующимися неоднородностью структуры. Именно этим объясняется то, что некоторые исследователи отрицают возможность установления количественных закономерностей между напряжениями и деформациями в реальном неоднородном металле.

Поэтому математическая и прикладная теория пластичности вынуждены отвлечься от реального строения физически и хими­ чески неоднородного металла с изменяющимися в процессе дефор­ мации свойствами и рассматривать его как отвлеченное однород­ ное тело.

Врезультате теоретически ограничиваются лишь качественным

изучением процессов, протекающих при деформации металлов, а в прикладной теории пластичности — во многих случаях получают численные зависимости, недостаточно точные для практического использования. Сложность изучения процессов пластического дефор­ мирования металла обусловлена также тем, что при данных исходных

механических свойствах величина сопротивления металла пластиче­ скому деформированию непрерывно изменяется одновременно с изме­ нением механических свойств; изменения эти по своему характеру неоднородны. Поэтому при расчетах параметров режима обработки

металлов давлением необходимо предварительно экспериментально

устанавливать характерную для данного металла функциональную зависимость, связывающую его сопротивляемость пластическому деформированию с величиной деформации.

Таким образом, задача создания прикладной (в первую очередь) теории пластичности должна решаться комплексно — путем уста­ новления качественных зависимостей и количественных закономер­ ностей между напряжениями и деформациями в реальном металле на основании результатов теоретических и экспериментальных иссле­ дований, а также обобщенных данных непрерывно накапливающегося производственного опыта.

Даже в производственных условиях освоение и внедрение раз­ личных процессов обработки давлением невозможно без правильных представлений о механизме деформирования металла и влияния деформации на его эксплуатационные свойства. Поэтому далее весьма кратко излагаются физические основы пластической деформа­ ции и характер влияния ее на структуру металла и его механические и физические свойства.

Явления, характеризующие протекание процесса холодной пла­ стической деформации, определяются строением и свойствами обра­ батываемого металла.

Все технические металлы имеют поликристаллическое строение, т. е. представляют собой множество спаянных кристаллитов — зерен неправильной формы, анизотропных по механическим, химическим и физическим свойствам. По границам спайности располагаются

7

нерастворимые примеси (чаще всего окиси и силикаты), образующие так называемое межкристаллическое вещество.

Реальные металлы неоднородны с точки зрения их кристалличе­ ской структуры, что обусловлено не только неравномерностью засты­

вания металла в различных участках слитка, но и наличием усадоч­ ной рыхлости, пористости, макро- и микропустот, располагающихся как по границам зерен, так и внутри кристаллитов. Зерна состоят

из металлического вещества, имеющего кристаллическое строение.

Это значит, что атомы металла расположены в определенном порядке

и образуют пространственную атомную решетку. Подавляющее

большинство применяемых в. машиностроении металлов имеет один из трех следующих типов атомной пространственной решетки: гра­ нецентрированную кубическую — медь, Т-железо, а-кобальт, никель, алюминий, свинец и некоторые другие; объемноцентрированную

Межатомные расстояния в пространственной атомной решетке определяются равенством межатомных сил притяжения и отталки­ вания и в стабильной решетке соответствуют минимуму внутренней потенциальной энергии. Общая потенциальная энергия металла, характеризующая прочность кристаллической решетки, опреде­ ляется силами взаимодействия ядер, а также кинетической энергией электронного облака каждого атома. Атомная решетка кристаллита реального металла по своему строению не идеальна и в различных участках может иметь искажения, возникающие по различным при­ чинам (отсутствие атомов в некоторых узлах; наличие между узлами

пространственной решетки основного металла атомов какого-либо

химического элемента — примеси; напряжения термического харак­ тера, возникающие при неравномерном охлаждении расплава). Такого рода искажения пространственной решетки кристаллита, называемые дислокациями, приводят к неоднородности (мозаичности) его строения. Неоднородны ( свойства металла внутри зерен и по их границам, так как взаимодействие атомов межкристалличе­ ского вещества, образующегося из нерастворимых примесей, носит иной характер, чем взаимодействие атомов внутри кристаллитов.

Атомы, расположенные по границам зерен, находятся под воздей­ ствием ориентированной определенным образом пространственной решетки кристалла, к которой они принадлежат, а также под воз­ действием иначе ориентированной решетки соседнего зерна. Такой

характер и особенности строения металла предопределяют и меха­

низм его пластического деформирования.

Механизм пластической деформации и явления, протекающие при пластическом деформировании реального технического металла,

зависят не только от строения и свойств металла, но также от темпе­ ратуры и скорости деформации. От этих же факторов зависят резуль­ таты обработки пластическим деформированием и, в частности, свойства деформированного металла.

8