2.2 Основы обработки металлов давлением.

Прокатка - вид обработки давлением, при котором исходная заготовка под действием сил трения непрерывно втягивается между вращающимися валками и пластически деформируется с уменьшением толщины и увеличением длины, а иногда ширины.

Форму поперечного сечения продукции, получаемой при прокатке, на­зывают профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой, называют сортаментом. Сортамент проката подразделяется на группы: сортовой прокат (рис.2), листовой, трубы и профили специального назначения. В свою очередь, сортовой прокат по форме сечения разделяют на про­стой геометрической формы круг, квадрат, шестигранник и другие (1-10); фасонный - уголки, тавры и двутавры, рельсы, швеллеры и др. (11-17); сложные специальные (18-34). Цветные металлы прокатывают обычно на простые профили.

рис.2

Листовой прокатный материал подразделя­ют на лист, рулон, полосу и ленту. Лист поставляется горяче- и холоднокатаным. Сортамент листовой и рулон­ной горячекатаной стали следующий: толщина листов от 0,5 до 160 мм; листов, свернутых в рулон, от 1,2 до 12 мм. Тонколистовую сталь шириной мень­ше 500 мм называют лентой, толщиной менее 0,2 мм - фольгой.

Прокатке подвергают­ся почти 90% всей выплавляемой стали и значительная часть цветных метал­лов. В зависимости от формы и расположения валков и заготовок по отно­шению к ним различают следующие основные виды прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая.

рис. 3

При продольной прокатке (рис.1, а) заготовка 1 деформи­руется между двумя валками 2, вращающимися в разные стороны, и пере­мещается в направлении, перпендикулярном осям валков. При поперечной прокатке (рис.1, б) валки 2 вращаются в одном направлении, а заготовка 1, имеющая форму тела вращения, переме­щается параллельно осям валков и обжимается по образующей с увеличени­ем длины и уменьшением площади поперечного сечения. При поперечно-винтовой прокатке (рис.1, в) валки 2 расположены под углом друг к другу, вращаются в одну сторону и при обжа­тии заготовки 1 сообщают ей вращательное и поступательное движения. В процессе прокатки во всех случаях перемещение заготовки между валками обеспечивается наличием контактного трения между обрабатываемой заго­товкой и рабочей поверхностью валков.

Для соблюдения условий захвата и перемещения заготовки в направлении прокатки необходимо превышение силы трения Т над силой выталкивания N. Угол α, при котором это ус­ловие выполняется, называется углом захвата.

Инструментом прокатки являются валки, которые могут быть гладкими (рис.2, а) для проката листов, полос и т. д. либо с фигур­ными вырезами (рис.2, 6) — ручьями для проката уголка, тавра и т.п... Совокупность соответствующих вырезов в верхнем и нижнем валках образует калибр. Пара валков обычно имеет несколько калиб­ров. Калибры могут быть открытыми (рис.2, в). или закрытыми (рис.2, г).

д е

рис.4

Схема прокатного стана показана на рисунке 4. Шейки валков 1 вращаются в подшипниках, которые у одного из вал­ков могут перемещаться специальным нажимным механизмом для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения их осей. Комплект прокатных валков со станиной называют рабочей клетью. Вращаются валки электродвигателем 5 через редуктор 4, систему шестерён 3, соединительные муфты и шпиндели 2.

рис.5

Рабочие клети по числу и расположению валков могут быть двух­валковые (рис. 2); четырехвалковые (рис. 3 д), у которых два валка рабочих и два опорных; многовалковые (рис. 3 е), у которых также два валка рабочих, а остальные - опорные. Использование опорных валков позволяет применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижается усилие деформирования.

Прокатные станы могут быть одноклетьевыми (с одной рабочей клетью) и многоклетьевыми.

Наиболее совершенные многоклетьевые станы - непрерывные, у которых рабочие клети располагают последовательно одну за другой. Прокатываемая полоса через каждую клеть проходит только один раз, т, е. число рабочих клетей этих станов равно требуемому числу проходов полосы. Расстояние между клетями обычно меньше длины прокатываемой полосы, следовательно, она прокатывается одновре­менно в нескольких клетях, На непрерывных станах достигается высокая произво­дительность при полном исключении ручного труда. Максимальная скорость про­катки на современных непрерывных станах составляет 50-60 м/с,

По назначению прокатные станы подразделяют на станы для производства полупродукта и станы для выпуска готового про­ката. К первой группе относят обжимные станы для прокатки слит­ков в полупродукт крупного сечения (блюминги, дающие заготовку для сортового проката, и слябинги, дающие заготовку для листо­вого проката) и заготовочные для получения полупродукта более мелкого сечения.

К станам для производства готового проката относят сортовые, листовые, трубные и специальные.

Исходными за­готовками при производстве сортового и листового проката являются подогретые до температуры 1300°С слитки. В настоящее время блюмы и слябы чаще получают при непрерывной разливке стали.

Прессованием называют процесс выдавливания металла из зам­кнутого объема через отверстие меньшей площади, чем площадь се­чения исходной заготовки. Поперечное сечение выдавливаемого изделия можно получить самой разнообразной формы (рис.6).

рис.6

П рессованием получают прутки диаметром 3-250 мм, трубы диаметром до 800 мм и толщиной стенки от 1,5 мм и более, а так­же многие различные изделия (в том числе из малопластичных, труднодеформируемых сталей и сплавов), которые нельзя получить другими способами обработки давлением. Прессование позволяет изготовлять изделия высокой степени точности, что значительно сокращает объем последующей механической обработки.

В качестве исходных ма­териалов для прессования используют цветные и чер­ные металлы и их сплавы в виде слитков, литых и пред­варительно деформирован­ных кованых или катаных заготовок.

Прессование осуществляют двумя методами - прямым и обратным. При прямом методе прессования (рис. 7 а) заготовку 1 укладывают в полость кон­тейнера 2. Давление пресса передается на заготовку паунсоном 3 через прессшайбу 4. При этом металл вынужден выдавливаться че­рез матрицу 5, укрепленную в матрицедержателе 6. Обычно выдавить полностью весь металл не удается. Часть металла, остающую­ся в контейнере, называют пресс-остатком. Этот металл удаляется отрезкой.

рис.7

При обратном методе прессования (рис. 7 б) контейнер 3 за­крыт, с одного конца упорной

шайбой 1, а давление пресса пере­дается через полый пуансон 4 с укрепленной на нем матрицей 5 на заготовку 2, которая течет навстречу движению матрицы с пуан­соном.

Если при прямом методе прессования металл при перемещении встречает сопротивление вследствие трения о матрицу и стенки контейнера, то при обратном методе прессования

трение возникнет только при перемещении металла через матрицу. Поэтому усилие при обратном методе прессования на 25-30% меньше, чем при прямом. Кроме того, обратный метод прессования более экономи­чен по расходу металла, чем прямой. Однако из-за более высокой производительности и лучшего качества поверхности изделия широкое при­менение получил метод прямого прессования.

Прессование труб и других по­лых изделий осуществляют по прямому методу (рис. 7 в). За­готовка 3, помещенная в контей­нер 4, сначала прошивается иглой 6, которая выходит при этом из матрицы 2. При движении пуансо­на 5 с пресс-шайбой 7 металл за­готовки выдавливается через за­зор между матрицей 2 и иглой 6. Толщина стенки трубы 1 соответ­ствует при этом величине зазора.

Для уменьшения трения при прессовании, а также во избежа­ние налипания металла на инструмент применяют смазки.

Прессование выполняют на вертикальных или горизонтальных гидравлических прессах.

Волочение - процесс протягивания обрабатываемой заготовки через постепенно сужающееся отверстие в инструменте, называ­емом волокой или матрицей. Исходным материалом для волочения является горячекатаный сортовой прокат различного поперечного сечения (круглого, квадратного, шестигранного), проволока, трубы из стали, цветных металлов и сплавов.

В результате волочения поперечное сечение заготовки умень­шается, а ее длина увеличивается. Волочение применяют для полу­чения тонкой проволоки, тонкостенных труб, фасонных профилей (рис.8), а также для калибровки, т. е. для придания точных размеров и высокого качества поверхности мате­риала изделия.

рис.8 рис.9

Инструмент для волочения (рис.9) состоит из обоймы 2, в ко­торую вставлена волока 1. Волока имеет по длине четыре характер­ные зоны: I - входную, или смазочную, с углом около 40°; II - ра­бочую, или деформирующую, с углом 10 - 24°; III - калибрующую, обычно цилиндрической формы, и IV - выходную с углом 45 - 60°. Угол рабочей зоны волоки зависит от вида изделия и свойств ме­талла.

На рис.10 представлены схемы волочения прутков (а) и труб. Тру­бы обрабатывают волочением несколькими способами: на длинной оправке, движущейся вместе с трубой (б), для значитель­ного уменьшения толщины стенки; на неподвижной оправке (в) для уменьшения внешнего диаметра и толщины стенки; без оправки (г) для уменьшения внешнего диаметра.

рис.10

Во всех случаях, для того чтобы осуществить волочение, необ­ходимо заострить конец заготовки или трубы, продвинуть в волоку, зажать выступающий конец захватами машины и приложить соот­ветствующее усилие. При этом необходимо, чтобы на выходящем из волоки конце прутка (или трубы) напряжение при растяжении не превышало величины предела текучести металла, так как в про­тивном случае конец прутка, выходящий из волоки, искажается по форме и размерам (возможен также разрыв прутка). Если во­лочение невозможно осу­ществить за один проход вследствие большого об­жатия, то назначают не­сколько последователь­ных проходов через ряд волок. Для уменьшения тре­ния (усилия волочения), а также для улучшения ка­чества поверхности и по­вышения стойкости волок с поверхности заготовок удаляют окалину и ржав­чину..

На поверхность заготовок, предназначенных для последователь­ного волочения через несколько волок, наносят подсмазочный слой одним из следующих способов (желтением, омеднением, фосфатированием, известкованием).

В качестве смазок используют минеральные и растительные мас­ла, животные жиры, мыло, графит и некоторые эмульсии.

Волочение металла осуществляют в холодном состоянии, вслед­ствие чего металл упрочняется. В большинстве случаев упрочнение готового изделия снимается отжигом. При многократном волоче­нии для восстановления пластических свойств металла эту опера­цию применяют между отдельными протяжками.

Волочение осуществляется на волочильных станах. Их разделяют по способу осуществления тяги на барабанные, цепные и гидравличе­ские (работают более плавно и с меньшим чис­лом обрывов заготовок).

Ковка – это процесс изменения формы и размеров заготовки в нагретом состоянии при многократном прерывистом воздействии на неё инструмента.

Различают ковку в штампах (штамповка) и без применения штампов (так называемую свободную ковку). При сво­бодной ковке перемещение деформированного металла не встречает сопротивления своему движению со стороны инструмента. Этим методом можно получать поковки массой до 250 т и более. Исходным материалом для ковки деталей служат слитки и различный прокат.

Ковка подразделяется на ручную и машинную. Ручную ковку осуществляют молотом на наковальне и применяют для индиви­дуального изготовления мелких изделий или при ремонтных ра­ботах. Механическую ковку производят на ковочных молотах и прессах.

Молоты используют для изготовления изделий средних разме­ров, прессы - для изготовления крупных изделий. Все типы мо­лотов и прессов имеют подвижные (баба и верхний боек) и непод­вижные части (шабот и нижний боек).

Наибольшее рас­пространение получили паровоздушные, пневматические, механиче­ские молоты и гидравлические прессы.

Пневматические молоты используют энергию сжатого воздуха. В гидравлических молотах подвижные части приводятся в движение рабочей жидкостью (вода, эмульсия, минеральное масло) высокого давления. Мощные гидравлические прессы работают плавно, без ударов и сотрясений.

Ручную свободную ковку производят с помощью разнообразного кузнечного инструмента. Некоторые операции свободной ковки показаны на рисун­ке 11.

1- осадка; 2 - высадка; 3 - протяжка; 4 - раскатка; 5 и 6 - подшивка; 7 и 8 - отрубка; 9 и 10 - гибка; 11 - сварка; 12 - кручение

рис.11

Отрубка – отделение части заготовки. При надрубке деформирующий инструмент внедряется в заготовку не на всю толщину. Пробивка - образование в заготовке сквозных отверстий. Ломка - разделение заготовки на части путем разру­шения изгибом. Осадка - уменьшение высоты заготов­ки при увеличении площади ее поперечного сечения. Высадка - осадка части заготовки, например высадка го­ловки болта. Протяжка - удлинение заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Разгонка - увеличение ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины. Прошивка - получение полостей в заготовке за счет вытеснения материала. Раскатка - увеличение диаметра кольцевой заготовки при вращении за счет уменьшения ее толщины. Гибка - образование или изменение углов меж­ду частями заготовки или придание ей криволинейной формы. Проглаживание - устранение неровностей поверхности. Правка - устранение искаженной формы заготовки.

При штамповке формообразование изделия происходит в штампах, т. е. обеспечи­вается принудительное получение изделием формы и размеров. Штамповку осуществляют на прессах и молотах, ко­торые отличаются от ковочных конструкций большей жесткостью, большей точностью направляющих подвижных частей и др.

Различают: горячую объемную штамповку (метод дает возмож­ность обрабатывать труднодеформируемые сплавы); холодную объемную штамповку (для поковок небольшого размера); листовую штамповку (изготовляют плоские или пространственные тонкостенные изделия).