Раздел IV. Технология обработки металлов давлением

Физические основы обработки металлов давлением

При всех видах обработки давлением происходит пластическая деформация, которая протекает путем скольжения дислокаций или двойникованием.

Эта деформация сопровождается раздроблением зерен и их удлинением, в результате чего металл приобретает мелкозернистую строчечную структуру. Изменение структуры приводит к изменению свойств: увеличению прочности и твердости, снижению пластичности (т.е. наклепу).

Нагрев деформированного металла приводит к зарождению и росту новых равноосных зерен вместо деформированных (рекристаллизация).

Различают холодную или горячую обработку давлением. При холодной обработке металл наклепывается. Неметаллические включения, которые располагаются между зернами поликристалла, при деформации вытягиваются вдоль направления деформации, обусловливая различия свойств металла в разных направлениях.

Считают, что объем металла до деформации равен объему металла после деформации. Перемещение металла происходит в направлении наименьшего сопротивления по плоскостям с наибольшей упаковкой атомов, т.к. сопротивление сдвигу в этих направлениях наименьшее. Перемещению металла противодействуют силы трения, возникающие на поверхности контакта деформирующего инструмента и металла заготовки. Трение изменяет схему приложения сил, оказывающих влияние на пластичность и сопротивление деформированного металла. Химический состав сплава, предварительная обработка металла, температура и скорость деформирования также влияют на процессы обработки давлением.

Заготовку деформируют так, чтобы направление волокон совпадало с направлением максимальных растягивающих напряжений, возникающих в детали. Волокна металла не должны пересекаться, а должны огибать контуры изделия.

Горячая обработка давлением проводится при высоких температурах, наклеп возникающий при обработке давлением снимается рекристаллизацией. Механические свойства металла повышаются. Повышение прочности и пластичности происходит за счет образования мелких зерен взамен дендритов литого металла, а также за счет заварки усадочных пустот и рыхлостей, образующихся в слитке в процессе кристаллизации жидкого металла.

Нагрев металла перед обработкой давлением влияет на качество, производительность и стоимость готовой продукции. Необходим равномерный нагрев по сечению заготовки, ее минимальное окисление и обезуглероживание. На качество изделий влияет скорость нагрева: при медленном нагреве снижается производительность, увеличивается окисление и обезуглиро-живание; при быстром – в заготовке появляются трещины. Склонность к образованию трещин тем больше, чем больше размеры заготовки и меньше теплопроводность металла.

Обработка металлов давлением находит широкое применение в машиностроении при производстве заготовок.

Кузнечно-штамповочное производство, уступая литейному производству в возможной сложности конфигурации получаемых деталей, имеет преимущества в прочности и надежности выпускаемой продукции. Поэтому наиболее ответственные детали машин изготовляют из кованых и штампо-ванных заготовок, т.к. механические свойства металла выше, чем у литых материалов.

Исходными стальными заготовками для ковки и объемной штамповки являются слитки, обжатые болванки (блюмсы) и сортовой прокат.

Получение машиностроительных профилей

Прокатка – вид обработки металлов давлением при которой металл деформируется вращающимися валками. Инструмент прокатки: гладкие и калиброванные валки.

В зависимости от типа изготовляемых изделий применяют три основных вида прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую.

Продольная прокатка, при которой металл обжимается между двумя валками вращающимися в разных направлениях и перемещается перпендикулярно осям валков, используется для профильного и листового проката.

Поперечную, когда оба валка вращаются в одну сторону и вращают заготовку, которая деформируется вдоль оси валков используют для получения периодического проката.

Поперечно-винтовую прокатку применяют для получения пустотелых заготовок при производстве бесшовных труб. При этом виде прокатки валки располагаются под некоторым углом один к другому, благодаря чему заготовки имеют как вращательное так и поступательное движение.

Исходной заготовкой при прокате являются слитки. Продукция прокатки подразделяется на четыре основные группы: сортовой прокат (квадратные, полосовые, круглые, угловые и другие профили, рельсы, балки, швеллеры); листовой прокат (листы, ленты); трубы бесшовные и сварные; специальный прокат в виде периодически меняющихся по длине профилей, колес, колец и т.д.

Различают холодную и горячую прокатку. Обычно сталь нагревают до 1100С…1250С, полученные из слитка слябы прокатывают без промежуточного нагрева в клетях непрерывного стана. Получаемые тонкие полосы и ленты сматываются в рулоны нужной длины.

Холодной прокаткой получают также листы (кровельное железо, жесть).

Оборудованием при прокатке являются прокатные станы, которые классифицируют в зависимости от числа и расположения валков в рабочей клети дуо (двухвалковые), трио (трехвалковые), кварто (четырехвалковые), многовалковые и универсальные. Валки располагаются в рабочей клети прокатного стана и приводятся в движение от двигателя через редуктор и шестеренную клеть.

Прессование – это процесс обработки металлов давлением путем выдавливания его через отверстие матрицы. При этом металл принимает форму, соответствующую конфигурации отверстия в матрице – круглую, квадратную и др.

Процесс прессования осуществляется в холодном или горячем состоянии для получения профилей более сложной формы, чем при прокатке (прутки диаметром 5…300 мм, трубы диаметром 20 … 560мм с толщиной стенки 1,5 … 15мм).

Металл при деформировании находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия, что дает возможность прессовать металлы и сплавы обладающие пониженной пластичностью. Больше всего прессование применяют для получения изделий из цветных металлов и их сплавов. Экономично изготовлять мелкие партии профилей, поскольку переход от одного профиля к другому осуществляется легче, чем при прокатке. Однако при прессовании значительны отходы металла и износ инструмента.

Прессование производят на специализированных гидравлических прессах прямого и обратного метода прессования. Горизонтальные прессы подразделя-ются на прутковые и трубные. К основным инструментам прессования относятся: матрица, пресс-шайба, пуансон, контейнер с втулкой, а также игла и иглодержатель (при прессовании труб).

Исходными заготовками при прессовании являются слитки для прессования прутков, а для труб слитки сплошные и слитки с центровым отверстием (равным диаметру иглы) из алюминия, меди, титана, цинка, свинца, олова, магния и их сплавов, а также сталей и жаропрочных сплавов.

Волочение – это процесс обработки металлов давлением, при котором заготовка протаскивается через отверстие волоки, размеры которой меньше размеров сечения исходной заготовки. При волочении площадь поперечного сечения заготовки (сортовой и трубный прокат) уменьшается, а длина увеличивается. Сортовой и трубный прокат, прессованные профили служат заготовками для волочения. Процесс волочения, как правило, проводится в холодном состоянии, поэтому величину обжатия металла за один проход ограничивают, чтобы усилие волочения не превысили величины, которая может вызвать разрушение получаемого изделия.

Степень обжатия и скорость волочения зависят от свойств металла, материала волоки, размеров и профиля получаемого изделия. При холодном волочении металл упрочняется, поэтому вводят промежуточный отжиг для повышения пластичности металла. Рассматривая устройство оборудования для волочения, прессования, обратите внимание на области их применения.

Волочением изготовляют прутки, проволоку, тонкостенные трубы, фасонные профили и т.п. из стали, цветных металлов и их сплавов.

Волочение применяют для калибровки т.е. придания точных размеров и чистой поверхности горячекатаному металлу.

Волочение проводится на волочильных станах, которые по принципу работы подразделяются на две группы: 1) с прямолинейным движением тянущих устройств (цепные, гидравлические, реечные, винтовые) и 2) с круговым движением протягиваемого металла (барабанные) для получения проволоки и труб малого диаметра.

Свободная ковка – это процесс горячей обработки металлов давлением, при котором путем многократного и прерывистого действия инструмента исходной заготовке придают заданные размеры, форму и свойства. Свободной ковку называют потому, что пластическая деформация металла происходит свободно в направлении наименьшего сопротивления, не ограниченного поверхностями инструмента.

Свободную ковку применяют при единичном и мелкосерийном производстве. Требуемую форму заготовки получают пластическим деформированием на прессах или молотах с помощью плоских или вырезных бойков и другого универсального инструмента.

Инструментом при свободной ковке являются бойки. Оборудованием при свободной ковке являются пневматические и паровоздушные молоты. Пневматические молоты применяют для ковки мелких поковок массой до 50 кг. паровоздушные – для средних поковок массой 30…500 кг и гидравлические прессы – для ковки крупных поковок, масса которых достигает сотни тонн.

Последовательность процесса ковки включает ряд этапов: нагрев металла, формоизменение заготовки, первичную термическую обработку (нормализация, отжиг и др.), контроль качества и ликвидацию дефектов.

Для поковок простой формы число операций невелико и выполняются они за один нагрев. Сложные поковки требуют большего числа операций, т.е большего времени ковки, поэтому заготовки подвергают межоперационному подогреву.

Технологический процесс содержит основные, вспомогательные (наметка, надрубка, пережим и др.) и отделочные (правка, обрезка, проглаживание, клеймение) операции. Основные операции обеспечивают главное формоизменение: осадка, протяжка, прошивка, рубка, гибка и закручивание.

Осадка – кузнечная операция, в результате которой увеличивается поперечное сечение исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты. Осадка позволяет улучшить литую структуру и повысить механические свойства материала. Осадка в подкладных пальцах обеспечивает получение торцевых бобышек, например, ступиц в шестернях.

Высадка – разновидность осадки – это увеличение поперечного сечения заготовки на некоторой части ее длины. Наиболее часто для высадки применяют подкладные кольца.

Прошивка – кузнечная операция в результате которой при помощи специального инструмента (прошивня) получают отверстие или углубление. Прошиваемую заготовку устанавливают на нижний плоский боек и ударами (или нажатием) верхнего плоского бойка по установленному прошивню вдавливают его в заготовку на глубину 80…90% высоты заготовки. После кантовки заготовки на 180⁰ устанавливают с наружной стороны второй, просечной прошивень, большим основанием конуса вниз. Диаметр просечного конуса несколько меньше рабочего. Металлическая перемычка (“выдра”) под ударом верхнего бойка срезается и выталкивается просечным прошивнем вместе с основным прошивнем.

Наибольший диаметр прошиваемого отверстия не должен быть больше 0,3…0,4 высоты заготовки, но не менее 40…75 мм при прошивке на молоте или прессе.

Протяжка – операция при которой увеличивается длина заготовки за счет уменьшения поперечного сечения. Протяжка заключается в последовательных обжатиях заготовки поперек ее оси с кантовкой вокруг оси или подачей вдоль оси после каждого обжатия. Протяжку применяют как главную при ковке гладких и ступенчатых валов, пластин и т.д. Кроме обычной протяжки под плоскими или вырезными бойками используют разновидности этой операции: протяжка на оправке, раскатка на оправке, получение уступов и выемок. Раскатка на оправке – кузнечная операция, при которой достигается одновременное увеличение наружного и внутреннего диаметра полой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (ковка колец, обечаек, барабанов и т.д.)

Для выполнения этой операции предварительно прошитую заготовку надевают на цилиндрическую оправку, закрепленную на подставках и ковку осуществляют узким верхним бойком, расположенным параллельно оси поковки, при этом заготовку после каждого нажатия поворачивают. Изменение формы сопровождается уменьшением толщины и увеличением длины окружности кольца (D₁>D₀) при некотором уширении. Прошиваемое отверстие под раскатку составляет 0,25…0,35 диаметра заготовки после осадки перед прошивкой, этот диаметр берут по возможности больше, что позволяет повысить производительность труда при раскатке, но увеличивает отход металла на выдру.

Рубка – кузнечная операция при которой заготовку полностью или частично разделяют на части. Выполняется рубка как в горячем, так и в холодном состоянии. Различают следующие разновидности рубки: прорубка – в заготовке делают щель; обрубка и вырубка – от заготовки отделяют часть материала по наружному (обрубка) или внутреннему (вырубка) контуру. Инструментом для рубки крупных заготовок и слитков служат топоры и квадраты, для рубки мелких заготовок используют зубила. Топоры могут быть прямолинейными для рубки на плоских бойках, а также фасонными для обрубки и вырубки сложного контура или рубки в вырезных бойках.

Гибка – кузнечная операция при которой заготовкам в холодном или нагретом состоянии придают заданную форму. Гибка сопровождается изменением формы поперечного сечения заготовки за счет растяжения (утяжки) наружных и сжатия внутренних слоев металла. При изгибе заготовок производят иногда местный нагрев до 850…900ºС в том месте, где заготовка должна быть изогнута. После гибки поковку подвергают дополнительной правке местными обжатиями в горячем состоянии.

Инструментом для выполнения операции гибки и исправления формы служат подкладные штампы, вилки, раскаты, оправки и т.п.

Закручивание – кузнечная операция, посредством которой одну часть поковки поворачивают по отношению к другой на заданный угол вокруг общей оси. Этот прием применяют при ковке коленчатых валов, шатунов, тяг и т.д. Угол закручивания во избежание трещин и больших искажений формы поперечного сечения следует назначать не очень большим (для коленчатых валов не превышает 60…90º). Закручивание следует проводить в горячем состоянии.

Инструментом для закручивания служат ключи, вилки, люнеты. Разворот поковки производят обычно при помощи грузоподъемных устройств.

Ознакомьтесь с кузнечным инструментом, применяемым, для выполнения каждой операции, и оборудованием (пневматического и паровоздушного молотов, гидравлического пресса), которое применяется в зависимости от массы поковки.

Массу заготовки определяют, исходя из объема поковки и технологи-ческих отходов.

Обратите внимание на ковку высоколегированных сталей и цветных сплавов, имеющих пониженную пластичность. Следует помнить, что ковка этих материалов ведется с пониженной скоростью деформирования и уменьшением растягивающих усилий.

Горячая объемная штамповка

Объемная штамповка – процесс обработки металлов давлением, при котором происходит перераспределение металла заготовки с заполнением полости инструмента, называемого штампом. Полость штампа называют ручьем. Горячая объемная штамповка экономически целесообразна в серийном и массовом производстве деталей ответственного назначения. Горячая объемная штамповка по сравнению с ковкой позволяет получать поковки более сложной формы с лучшим качеством поверхности, по конфигурации близкую к готовой детали. При штамповке уменьшается расход металла (припуски на механическую обработку уменьшаются в 2-3 раза), резко повышается производительность труда. Как правило, механической обработке подвергают только сопрягаемые поверхности.

Недостатками объемной штамповки являются высокая стоимость инструмента и оборудования, ограничение деталей по форме и массе (до 100…200кг). Штамповку проводят на молотах, кривошипных горяче-штамповочных прессах (КГШП), горизонтально-ковочных машинах, гидравлических прессах и другом оборудовании. Исходной заготовкой служит сортовой прокат разного сечения. Для штамповки поковок получают фасонную заготовку приближенную по форме к форме поковки. С этой целью заготовку из сортового проката перед штамповкой в окончательном ручье предвари-тельно деформируют в заготовительных ручьях многоручьевых штампов, в поковочных вальцах или другими методами. Последовательность формоизменения заготовки происходит в следующем порядке: 1) осуществляют осадку заготовки до соприкосновения с боковыми стенками ручья; 2) происходит течение металла в глубину ручья, т.к. боковое перемещение становится затруднительным вследствие уменьшения зазора между половинами штампа и роста бокового давления. Когда металл достигнет донных поверхностей ручья, усилия деформирования возрастает и металл вытесняется в уменьшающийся боковой зазор – заусеничную канавку заусенец компенсирует неточность заготовки и определяет степень заполнения ручья. При смыкании штампа заготовка получает форму ручья, а избыточный объем вытесняется в заусенец.

После окончания штамповки заусенец удаляют на обрезном прессе. С целью повышения стойкости штампа и снижения деформирующих усилий штамповку ведут в двух ручьях: в черновом, а затем в чистовом окончательном. В черновом воспроизводят приблизительную форму поковки. Заусенечную канавку в черновом ручье не делают, очертания чернового ручья сходны с окончательным, но форма его более плавная, радиусы закругления больше. Высота заготовки после чернового ручья больше, а ширина меньше или равна окончательным, чтобы поковку можно было разместить в окончательном ручье.

При штамповке на молоте заготовительные ручьи располагают в одном штампе с черновым и чистовым (многоручьевой штамп).

После отрезки и нагрева заготовки протягивают ее середину в протяжном ручье за несколько последовательных ударов с кантовкой на 90 и подачей вдоль оси по аналогии с протяжкой при свободной ковке. Поперечное сечение при этом уменьшается, а длина увеличивается. Затем заготовку подкатывают в подкатном открытом штампе ручье за несколько ударов молота с кантовкой на 90, без перемещения вдоль оси. При этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а на головке увеличивается за счет перемещения металла со стержня в головку. После фасонирования в протяжном и подкатном ручьях заготовку штампуют в черновом и чистовом ручьях. Затем поковку передают на обрезной пресс для обрезки заусенца и прошивки отверстия. Завершающие отделочные операции: обрезка заусенца; удаление перемычки в отверстиях (прошивка), очистка поковок от окалины для выявления дефектов поковки, правка поковок в правочных штампах после очистки окалины калибровку поковок проводят для поковок повышенной точности.

Готовые поковки после контроля и необходимых испытаний передают на склад.

Холодная штамповка

Холодная штамповка проводится без предварительного нагрева заготовок. Различают объемную холодную штамповку (сортового металла) и листовую (листового металла).

Объемная холодная штамповка применяется для деталей ограниченных размеров (диаметром 70…80мм – для стальных деталей и до 150…200мм для деталей из алюминиевых и медных сплавов), в основном тел вращения, т.к. сопротивление деформированию сплавов в холодном состоянии высокое. В зависимости от характера течения металла холодную объемную штамповку разделяют на холодное выдавливание, высадку и формовку.

Процессы деформирования заготовок в виде листов, полос, лент, труб относят к листовой штамповке. Операции листовой штамповки делятся на две группы: разделительные и формоизменяющие. Разделительные операции (отрезка, вырубка, разрезка, обрезка, нарезка, пробивка, просечка и зачистка) осуществляются при помощи штампов. Резку производят на ножницах или на прессах при помощи отрезных штампов. Ножницы применяют трех типов: с параллельными ножами; с наклонными ножами – гильотинные и дисковые. При резке (вырубке) роль верхнего ножа выполняет пуансон, а нижнего, неподвижного – матрица. Пуансон должен быть плоским, тогда полученная деталь также будет плоской, а отход (полоса) изогнутой. Зазоры между пуансоном и матрицей имеют большое значение, они устанавливаются в зависимости от свойств и толщины обрабатываемого материала и составляют для низкоуглеродистой стали толщиной от 0,5 до 10мм – 4…10% от толщины материала. При помощи штампов производят следующие процессы резки: отрезку, вырубку, пробивку, надрезку, разрезку (отделение штамповок друг от друга), обрезку, зачистку.

К формоизменяющим операциям относят вытяжку, формовку, гибку и закатку края, отбортовку, правку, рельефную штамповку, обжим и раздачу.

Гибка проводится при помощи штампов на кривошипных прессах, горизонтально-гибочных машинах, гидравлических прессах и на специальных гибочных автоматах.

При гибке в каждом сечении по толщине заготовки действуют сжимающие и растягивающие напряжения тем большие, чем меньше отношение радиуса гибки к толщине металла. Минимальный относительный радиус гибки, ограничен, т.к. при превышении растягивающих напряжений определенной величины может произойти разрушение материала.

Вытяжка заключается в превращении плоской листовой заготовки в полое изделие. Различают вытяжку с утонением стенок и без утонения стенок.

Вытяжку без утонения стенок осуществляют с применением прижима и применяют для штамповки глубоких сосудов из тонкого материала. Прижимное кольцо служит для предотвращения образования складок. Следует учитывать коэффициент вытяжки, т.к. при увеличении усилия вытяжки происходит разрушение материала.

Формовочные операции: фасонная (рельефная) штамповка (для получения различных углублений, ребер жесткости и т.д.), отбортовка (получение бортов цилиндрических и пологих), обжим (уменьшение диаметра открытой концевой части предварительно вытянутого полого изделия), раздача (увеличение диаметра открытой концевой части полой цилиндрической заготовки или трубы). Для рельефной штамповки также используются фрикционные прессы.

Прессовые операции изменяют толщину исходной листовой заготовки к ним относят чеканку (изменяются толщины заготовки и формы изделия), клеймение, разметка (разметка мелких отверстий при сверлении), операции холодного выдавливания. Указанные операции основаны на частичном перераспределении и перемещении металла заготовки в процессе штамповки.

Осуществляются операции в штампах на кривошипных и винтовых фрикционных прессах.

Чеканка применяется для изготовления монет, медалей, часовых деталей и др. изделий. Разметка применяется в приборостроении и часовом производстве.

Листовую штамповку применяют для изготовления крупных облицовочных деталей автомобилей и автобусов, тракторов, самолетов, вагонов, деталей велосипедов, мотоциклов, приборов, часов, деталей аппаратов химического производства и др.

Изучая принципиальные схемы штамповки, обратите внимание на их преимущества, недостатки и области использования.