1.4 Разделение металла на заготовки

Операции разделения исходного металла на заготовки являются самыми распространёнными в металлообработке. Экономичность их существенно влияет на эффективность технологического процесса ковки или штамповки с точки зрения расхода металла. Способы разделения металла на заготовки характеризуются совокупностью технико – экономических показателей и имеют свою рациональную область применения.

Данные способы делятся на: безотходные и с отходами.

Безотходные способы разделения металла:

1. Пластическое внедрение (отрубка, обкатка клиновым инструментом;

2. Разрушение (холодная ломка).

Способы разделения металла с отходами:

1. Резание (зубчатыми пилами, резцами, абразивными кругами);

2. Плавление, испарение, сжигание (фрикционными пилами, электро – механической пилой, электроэрозионная, газопламенная, воздушно-дуговая, плазменно – дуговая, лазерная).

1.4.1 Разрезка в штампах и ножницах

Производят без отхода металла путём пластического сдвига отрезаемой части заготовки по поверхности раздела под действием сближающихся ножей (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Схема резки на ножницах:

Δ – зазор между ножами; Р – усилие резания;

Т – распорное усилие; α – угол опрокидывания.

Это наиболее распространённый и экономичный способ разделения проката на заготовки. Точность формы и размеров отрезаемой заготовки зависит от способа степени развития пластической деформации и характера разрушения. На рисунке 1.9 представлен механизм процесса резки пруткового металла.

Рисунок 1.9 – Механизм процесса резки пруткового металла

В общем случае поверхность заготовки состоит из недеформированных участков, зоны утяжки, участка смятия, гладких пластических поясов и шероховатых участков скола на торцах.

В таблице 1.1 представлена классификация способов и схем разрезки заготовок сдвигом.

При открытой разрезке не ограничивается подвижность прутка и его отрезаемой части относительно ножей. Способ не обеспечивает получения заготовок точной формы. При не полностью открытой разрезке ограничивается поворот прутка в неподвижном ноже, тогда как подвижность отрезаемой части не ограничена. Способ эффективен при высокой скорости отрезки (более 40 м/c). В способе не полностью закрытой резке исключена возможность поворота и изгиба прутка и отрезаемой его части . Это достигается пассивным или активным поперечным зажимом прутка в ножах. Данный способ является в настоящее время основным способом безотходной резки в штампах и на сортовых ножницах точных заготовок длинной с l/d ≥ 0,8.

Закрытая резка, отличается от предыдущих тем, что отрезаемая часть прутка, замкнутая в полости ножей, подвергнута осевому сжатию, вследствие чего в зоне реза создаётся благоприятное для пластической деформации напряжённое состояние всестороннего сжатия.

При достаточных удельных усилиях осевого сжатия ( ) разделение происходит путём пластического сдвига без разрушения. Заготовка составляет одно целое с прутком до полного отделения. Торцы заготовки имеют гладкую ровную поверхность, перпендикулярную к оси заготовки поверхность.

Таблица 1.1 – Классификация способов и схем разрезки заготовок сдвигом

Разрезка	Без прижима	С поперечным зажимом		С осевым сжатием
		пассивным	активным
Открытая
Не полностью открытая
Не полностью закрытая
Закрытая

Основные дефекты при резке в штампах и на сортовых ножницах представлены на рисунке 1.10.

Торцевые трещины образуются вследствие больших остаточных напряжений, возникающих в металле при смятии. Низкопластичные сплавы склонны к образованию торцевых трещин, причём эта склонность возрастает с увеличение размера сечения заготовки.

Рисунок 1.10 – Дефекты заготовок при резке

Заусенцы появляются в результате затупления режущих кромок и излишне большого зазора между ножами. Малый зазор между ножами приводит к скалыванию, которое сопровождается вырывами. Уменьшение косого среза достигается применением жёстких и автоматически действующих механизмов прижимов прутка к нижнему ножу. Смятие уменьшается с увеличением поверхности соприкосновения разрезаемого материала с ножами и уменьшением зазора между ножницами. Для хрупких материалов смятие не выходит за пределы других деформаций.

Геометрические параметры процесса резки

а) Поперечный зазор между диаметром ножа и прутком:

. (1.1)

Данный параметр оказывает отрицательное влияние на точность заготовок. Принимается минимально необходимый . Ориентировочные значения поперечного зазора при резке стальных прутков в штампах с втулочными ножами для диаметра сечения прутка 10–100 мм составляют: мм для горячекатанных заготовок и мм для калиброванного проката. Устранение достигается применением разъёмных ножей и предварительным редуцированием проката.

б) Угол наклона прутка .

Для обеспечения перпендикулярности торцов заготовки к её оси, прутку придают наклонное положение относительно направления реза. Угол наклона в основном зависит от прочности разрезаемого металла и условий резки (скорость, температура). Для углеродистых сталей угол  зависит от твердости следующим образом:

НВ	110	135	160	185	200	240
,град	9	8	7	4,5	2,0	0

При этом для данной группы сталей . С целью автоматизации процесса резки и упрощения конструкции штампов и ножниц для всех сталей принято среднее значение угла наклона прутка

в) Осевой зазор .

Является важнейшим параметром процесса резки, определяющим качество торца и геометрическую точность заготовок. Осевой зазор обеспечивает образование оптимальной, бездефектной поверхности среза путём слияния трещин скалывания, которые распространяются от режущих кромок ножей.

Оптимальной осевой зазор назначается в зависимости от характеристик прочности разрезаемого металла, размера сечения заготовки, схемы и температурно – скоростных условий (рисунок 1.11).

(1.2)

При закрытой резке и для способов резки с повышенной и высокой скоростями осевой зазор не нужен.

Наилучшее качество торцов обеспечивается при постоянном относительном осевом зазоре по всему сечению:

(1.3)

Рисунок 1.11 – Влияние диаметра сечения прутка и предела прочности разрезаемого металла на осевой зазор

При разрезке круглого проката для постоянства необходимо иметь переменный абсолютный осевой зазор . Для этого используется фасонная заточка ножей (рисунок 1.12, а, б, в) или наклонное расположение плоскостей в плоскости разъёма (рисунок 1.12, г).

Рисунок 1.12 – Форма заточки ножей, обеспечивающих постоянство при резке круглого проката

Силовые параметры процесса резки

а) усилие отрезки .

Зависит от характеристик прочности разрезаемого проката, площади его поперечно сечения, схемы отрезки и скорости деформирования:

, (1.4)

где - коэффициент зависимости от схемы резки и скорости деформирования (таблица 1.2); - удельное усилие отрезки;

_в – предел прочности; F – модуль поперечного сечения проката.

Таблица 1.2 – Значение коэффициента при различных способах разрезки

Схема разрезки	Скорость деформирования, м/с
Не полностью закрытая	до 0,5 свыше 2,0	1,0 1,3 – 1,4
Закрытая	до 0,5	1,4 – 2,0

б) Усилие поперечного зажима

Устраняет поперечный зазор , придаёт отрезаемой заготовке стабильное положения относительно ножей, улучшает схему напряжённого состояния металлов в зоне резки.

, (1.5)

где - коэффициент, зависящий от механических свойств металла, относительной длинны заготовки , конструкции зажимного устройства (таблица 1.3).

В известных конструкциях отрезных штампов и ножниц .

Таблица 1.3 – Значения коэффициента

Относительная длина заготовки	Сталь
	10, 15	Ст. 5 20, 25, 30	35 45, У10А
0,8 – 1,2	1,0	0,9	0,8
1,2 – 1,5	0,9	0,8	0,7
Свыше 1,5	0,8	0,7	0,6

в) Распорное усилие Т

Действует со стороны ножей на пруток и отрезаемую заготовку.

При не полностью закрытой резке без поперечного зажима:

(1.6)

При поперечном зажиме:

(1.7)

г)Усилие осевого сжатия N

Создаёт в очаге деформации благоприятное напряжённое состояние трёхосного неравномерного сжатия с высоким гидростатическим давлением. Разделение происходит путём пластического сдвига. Значение N зависит от механических характеристик металла и длины отрезаемой заготовки. Для заготовок из мягких сталей удельное усилие осевого сжатия . Для повышенной и высокой скоростей .

Нагрев проката перед резкой применяется в целях предотвращения образования дефектов, снижения усилия резки и повышения точности отрезаемой заготовки.

Для легированных и высокоуглеродистых сталей температура подогрева составляет 400 – 600 ºС (таблица 1.4).

Прокат из быстрорежущей стали при его разрезке на бездефектные заготовки подогревается до температуры 650 – 750 ºС.

Таблица 1.4 – Температура нагрева сталей перед резкой для снижения усилия реза, ºС

Марка стали	Размер сечения, мм
	до 50	свыше 50
40, 45, 50, 55, 50Г	450 – 500	450 – 600
40Х, 18ХГТ, 40ХН, 12ХН3А, 20Х2Н4А	500 – 550	550 – 600
30ХН3А,40ХН3А	550 – 600	550 – 600

Скорость деформирования значительно влияет на качество отрезаемых заготовок. Увеличение скорости до 2 – 5 м/с существенно повышает геометрическую точность стальных заготовок. Для не полностью закрытой схемы резки всех сталей с повышением скорости более 2 м/c процесс разрезки ведётся без осевого и поперечного зазоров. Увеличение скорости свыше 6 – 10 м/с не оказывает существенного влияния на качество заготовок при схеме не полностью закрытой отрезки, но повышает его при не полностью открытой отрезке.

Применение повышенных и высоких скоростей благоприятно для схемы закрытой разрезки, уменьшая удельное усилие сжатия в 4 – 10 раз. При этом удельное усилие составляет (0,3 – 0,4) .

Ножи отрезных штампов и сортовых ножниц

На рисунке 1.13 показаны ручьи ножей для резки сортового металла.

Форма и размеры ручьев ножей должны быть максимально приближены к профилю разрезаемого проката.

По форме режущей части ножи разделяются на: закрытые (очковые, втулочные) и открытые (разъёмные, полувтулочные, плоские). Ширина ножей назначается из условия недопущения смятия от чрезмерного удельного усилия на поверхности контакта с прутком. Прутки квадратного профиля можно разрезать по стороне и по диагонали. При разрезке по стороне ножи и прижим имеют простую плоскую форму рабочей поверхности, штамме универсален, качество реза хуже. При резке в направлении диагонали поверхность среза получается чище, а поперечное усилие резки уменьшается на 10–15 %.

h – глубина ручья; R – радиус ручья; ;

d – диаметр заготовки; δ – смещение центра.

А – сторона квадрата; H=(0,75÷0,85)A – глубина ручья;

a, b – стороны полосы; r=0.1a+2 – радиус скругления;

h=a+5; tgα=a/b.

Рисунок 1.13 – Ручьи ножей для резки заготовок

Габаритные размеры ножей сортовых ножниц должны соответствовать размерам ножевого пространства. В открытых ножах предусматриваются перекрытие для избежание задевания верхнего ножа за нижний. В зависимости от диаметра сечения проката перекрытие составляет 16–40 мм. Согласно ГОСТ 25454–82 параметры шероховатости поверхностей ножей не должны превышать мкм. Ножи обычно изготавливаются из сталей 5ХНВ, 5ХНМ, 5ХВ2С, 4ХС, У10, 9ХС, Х12М, Р6АМ5, 6Х6В3МФС и др. в зависимости от температуры заготовки при резке. Твёрдость поверхностей ножей при резке с нагревом (300–500 ) составляет HRC 45–54, а при холодной разрезке HRC 55–62 .

На рисунках 1.14 – 1.16 представлены штампы для разрезки проката на заготовки в кривошипных прессах.

Рисунок 1.14 – Одноопорный штамп для разрезки проката:

1 – нижняя плита; 2 – направляющая колонка; 3 – направляющая втулка; 4 – нижний нож; 5 – прижимная колодка; 6 – пружина прижима; 7 – верхняя плита; 8 – державка верхнего ножа; 9 – верхний нож; 10 – возвратная пружина прижима; 11 – упор; 12 – пруток; 13 – противоприжим.

Рисунок 1.15 – Штамп с круглым ножом для резки калиброванных прутков диаметром до 50 мм:

1 – гайка; 2, 3 – неподвижный и подвижный режущие глазки; 4 – гайка; 5 – глазкодержатель; 6 – пружина; 7 – установочные винты; 8 – фиксатор.

Рисунок 1.16 – Штамп с дифференцированным зажимом для резки прутков

При выборе их конструкции руководствуются классификацией отрезных штампов, в основе которой лежат следующие признаки: схема резки, кинематика ножей, способ удаления заготовки, число одновременно отрезаемых заготовок и число выполняемых переходов.

Для современных технологических процессов нужны точные по объёму (массе) заготовки. Необходимая точность объёма заготовок обеспечивается при разрезке комбинированного проката. Однако он значительно дороже горячекатаного, выпуск его лимитирован мощностями металлургического производства, а диаметр сечения не превышает 100 мм.

Обеспечить повышение стабильности заготовок можно применением редуцирования прутка перед разрезкой или использованием дозированной отрезки.

Редуцирование может выполняться как отдельная операция или в отрезном штампе как технологический переход, который предшествует отрезке.

Для дозированной отрезки применяют специальные дозирующие устройства (рисунок 1.17).

Рисунок 1.17 – Схема весового дозирующего устройства

Перед резкой прутка размеры сечения, объём или массу единицы длины проката замеряют и определяют длину отрезаемой заготовки, после чего корректируют положение упора штампа или шаг подачи прутка.

Существуют следующие способы измерения прутка в дозирующих устройствах: диаметр сечения прутка в двух или более плоскостях; периметр сечения прутка; площадь боковой поверхности единицы длины прутка; площадь поперечного сечения прутка; масса отрезаемой заготовки; масса прутка; объём единицы длины прутка.

Универсальным и удобным в эксплуатации являются устройства, в основе которых лежит определение массы единицы длины прутка его взвешиванием (рисунок 1.17).