Основы технологии обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением – технологический процесс получения детали путем пластического деформирования заготовки внешними силами. Большинство металлов и сплавов обрабатываются давлением – около 90% стали и 55% цветных металлов. При обработке давлением наряду с изменением формы изменяется строение исходного металла и его физико-механические свойства. Обработка металлов давлением – процесс, позволяющий получить изделия с весьма точными размерами, хорошей чистотой поверхности, высокими механическими свойствами. Этот процесс проводится в холодном или горячем состоянии.

Холодную деформацию применяют для небольших заготовок. При холодной обработке одновременно с изменением формы меняются свойства металла: прочность, упругость, твердость увеличиваются, а вязкость и пластичность снижаются. Изменение свойств вызвано изменением структуры металла. Такое состояние называется наклеп. Наклеп – упрочнение металла в результате холодной пластической деформации.

Горячую деформацию проводят при нагреве металла. Заготовки перед обработкой нагревают для повышения пластичности металла. При повышении температуры пластичность металла повышается, а прочность уменьшается (в 10-20 раз).

Прокаткой называется процесс обработки металла давлением, производимый путем пропуска металла в зазор между вращающимися цилиндрами (валками), меньший, чем толщина обрабатываемой заготовки. Сдавливая металл, валки вследствие трения, возникающего между их поверхностями и металлом, осуществляют движение подачи. Таким образом, деформации будут подвергаться последовательно все участки заготовки, пока вся заготовка не пройдет в зазор между валками. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Изделие, получаемое прокаткой, называют прокатом.

Отношение последующей длины ℓ к первоначальной ℓ_о называется вытяжкой μ (формула 4),

μ =(4)

где F_o – площадь поперечного сечения исходной заготовки;

F – площадь заготовки после пропуска через валки.

Сортамент прокатываемых изделий очень разнообразен. К основным группам стального проката можно отнести: сортовой, листовой, трубы, специальные виды.

Профили сортового проката разделяются на 2 группы: первая – профили геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник-полоса) - рис.6; вторая – фасонные профили (рис.7).

Рисунок 6 - Профили геометрической формы

Рисунок 7 - Фасонные профили

Листовой прокат имеет два основных вида: листовая сталь толстая (толщина 4 – 60 мм, а в особых случаях, например, судовая броня - до 450 мм) и листовая сталь тонкая (от 0,2 до 4 мм).

Трубы стальные подразделяются на бесшовные с наружным диаметром от 5 до 426 мм при толщине стенок 0,5 - 40 мм и трубы сварные с наружным диаметром 720 мм при толщине стенок до 14 мм.

К специальным вилам проката относятся колеса, в том числе зубчатые.

Процесс прокатки осуществляется путем пропуска металла в зазор между вращающимися цилиндрами (валками). В зависимости от профиля прокатываемого изделия валки могут быть гладкие, применяемые для прокатки листов, лент и т.д., ступенчатые, например, для прокатки полосового железа, и ручьевые для изготовления сложных профилей. Ручьем называется профиль очертания выреза на боковой поверхности валка, а совокупность двух ручьев пары валков образует калибр. Формы калибров весьма разнообразны и зависят от вида профиля металла, который необходимо получить. Изготовление проката осуществляется на сложных установках, называемых прокатным станом. По назначению прокатные станы подразделяются на обжимные, заготовочные, рельсо-балочные, сортовые, проволочные, листовые, трубопрокатные, колесопрокатные и станы специального назначения.

Волочение – процесс обработки металлов давлением с протаскиванием заготовки через отверстие матрицы, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. Поэтому при волочении поперечное сечение заготовки уменьшается, а ее длина увеличивается. Отношение последующей длины ℓ к первоначальной ℓ_о называется вытяжкой μ, также, как и при прокатке. Форма и площадь поперечного сечения обработанного волочением материала по всей длине одинакова. Требуемая вытяжка в зависимости от ее величины может быть осуществлена либо за один проход либо в несколько проходов путем протягивания через ряд постепенно уменьшающихся по величине отверстий. Волочение может осуществляться с нагревом и без нагрева металла. Его применяют в следующих случаях:

- для изготовления тонкой проволоки, которую нельзя получить прокаткой (например, для стальной проволоки диаметром меньше 6 мм), как круглой, так и других профилей, в том числе фасонных.

- для получения тонкостенных труб

- для калибровки – придания точных размеров и высокого качества поверхности горячекатаному металлу

- для получения фасонных профилей.

Оборудование, применяемое при волочении, называют волочильными станами. Они оборудованы волочильными глазками или волоками, обычно изготовленными из твердых сплавов, и тянущими устройствами, сообщающими заготовке движение через глазок и преодолевающее сопротивление деформации. В зависимости от характера работы тянущего устройства различают: 1) волочильные станы с прямолинейным движением, 2) с наматыванием обрабатываемого металла (барабанные). Волочильные станы с прямолинейным движением тянущего устройства применяются для волочения прутков и труб, которые не могут наматываться в бунты. Станы второго типа служат для волочения проволоки, труб небольшого диаметра, наматываемых в бунты.

Прессование. Прессование – вид обработки металлов давлением, осуществляемым путем продавливания металла через отверстие меньшей площади, чем площадь сечения исходного материала. Заготовку заключают в полость цилиндра, называемого контейнером. С другого конца контейнера вставляют пресс-шайбу, на которую давит пуансон. Металл, не имея другого выхода, кроме отверстия в матрице, вытекает из последнего. Профиль прессованного металла соответствует конфигурации отверстия в матрице, оставаясь постоянным по всей длине.

Прессование осуществляется на гидравлических прессах. Прессование применяют для получения прутков, труб и разнообразных сложных профилей из цветных металлов и сплавов. К преимуществам прессования относятся:

- точность получаемых изделий;

- нет необходимости в отделочных операциях;

- высокая производительность процесса.

К недостаткам процесса относится значительный износ оборудования и инструмента, большие отходы металла, особенно при производстве труб.

Ковка заключается в получении детали из нагретой заготовки путем деформирования ее ударными нагрузками, передаваемыми молотом или статическими нагрузками путем нажатия пресса. Заготовки, получаемые ковкой, называют поковками. Перед ковкой металл нагревают до температуры 1100-1200^о, а заканчивают ковку при температуре 800-900^о. Ковка бывает ручная и машинная. Ручную ковку производят на наковальне, являющейся опорным инструментом, ударами кувалды. Кузнец оперирует поковкой, держа ее в клещах и указывая молотобойцу место, куда нужно ударить небольшим молотом – ручником. При ручной ковке применяют разнообразный инструмент: бородки для пробивания отверстий, зубила для разрубки материала, различные подбойки, гладилки и обжимки для отделки отдельных участков и свей поверхности поковки.

Машинную ковку осуществляют с помощью ковочных молотов и ковочных гидравлических прессов. Молоты - машины динамического ударного действия. Прессы - машины статического действия. Молоты имеют падающие части, движущиеся вниз либо под действием собственного веса, либо под действием веса и дополнительного усилия (молоты двойного действия).

Гидравлические прессы работают от гидравлического насоса высокого давления и могут развивать нагрузку до 15000 т и выше.

К основным технологическим операциям ковки относятся: осадка, вытяжка, прошивка, рубка, гибка, закручивание и кузнечная сварка.

Осадкой называют кузнечную операцию, при которой уменьшают высоту исходной заготовки за счет увеличения площади ее поперечного сечения. Вытяжкой называют кузнечную операцию, при которой увеличивают длину исходной заготовки. Прошивкой называют кузнечную операцию, при которой в заготовке получают отверстие. Рубкой называют кузнечную операцию, при которой заготовку разделяют на части, или от заготовки отделяют часть материала. Гибкой называют кузнечную операцию, при которой заготовке придают изогнутую форму по заданному контуру. Закручиванием называют кузнечную операцию, при которой одну часть заготовки поворачивают относительно другой под определенным углом вокруг общей оси. Кузнечная сварка – операция, посредством которой соединяют в одно целое отдельные части или концы заготовок. Она применима только для мягкой стали с содержанием углерода 0,15 - 0,25%.

Штамповкой называют процесс деформации металла в штампах. Нагретую заготовку деформируют в замкнутых штампах. Заготовки называют штамповками или поковками. Различают холодную и горячую штамповку. Этим методом изготовляют закладные детали для сборного железобетона, корпуса оборудования и машин.

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ:

- более высокая производительность труда

- однородность и точность получаемых поковок

- более высокое качество поверхности поковок

- возможность получения деталей очень сложной формы.

К недостаткам этого способа обработки металлов давлением можно отнести:

- ограничение штампованных изделий по весу (до 50 - 70 кг)

- высокая стоимость инструмента – штампа, который является узко специализированным, т.е. пригодным для изготовления только одного вида поковки.

Штамповку осуществляют на разнообразных штамповочных инструментах. К ним относятся штамповочные молоты, штамповочные прессы, горизонтально-ковочные машины, гидравлические прессы, горизонтально-гибочные машины, вертикально-ковочные машины и т.д.

После штамповки изделия подвергают различным отделочным операциям. Сюда относятся обрезка и зачистка заусенцев, правка и очистка поверхности, калибровка (чеканка) и др.

Одним из видов штамповки является листовая штамповка. В качестве исходного материала в листовой штамповке используются листы, полосы и ленты. Листовой штамповкой получают сложные по конфигурации изделия, например, облицовку автомобилей, полые изделия и др. Для нее используют малоуглеродистые стали, медь, латунь, алюминий, дюралюминий и др. В зависимости от толщины заготовки листовую штамповку делят на толстолистовую и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Штамповку металла толщиной более 10 мм обычно осуществляют с нагревом, а тонколистовой металл штампуют без нагрева.