§ 3. Обработка металлов давлением

Пластичные машиностроительные материалы, и в первую оче­редь сталь, имеющие плохие литейные свойства, очень точно и производительно можно перерабатывать на заготовки различ­ных деталей путем их деформирования.

Различают следующие виды обработки металлов давлением (рис. 137): прокатка а, волочение б, прессование в, ковка г, штамповка листовая д и объемная е.

Рис. 137. Виды обработки металла давлением:

а — прокатка; б — волочение; в — прессование; г — ковка; д — листовая штамповка; е — объёмная штамповка.

Обработку давлением производят чаще всего с предваритель­ным нагревом металла до 1000—1200°С, так как с повышением температуры его пластичность увеличивается. Листовая штам­повка металла обычно производится без нагрева.

Для нагрева металла перед его обработкой давлением используются печи — пламенные и беспламенные. Устройство пламенной печи, работающей на жидком топливе, показано на рисунке 138.

Рис. 138. Схема устройства пламенной нагревательной печи:

1 — форсунка; 2 — рекуператор; 3 — рабочее пространство печи; 4 — заготовки.

В форсунке 1 этой печи происходит образование горючей смеси нефти с предварительно подогретым рекуператоре 2 воз­духом. Горючая смесь непрерывно выбрасывается форсункой в рабочее пространство 3 печи, образуя мощный факел пламени, нагревающий находящиеся здесь же заготовки 4.

Пламенные печи широко используются в промышленности благодаря их универсальности и возможности использовать лю­бое топливо.

Недостатком пламенных печей является то, что заготовки в них могут существенно изменяться под непосредственным воз­действием пламени, особенно химический состав поверхностного слоя, и в связи с этим его физико-механические свойства.

К числу беспламенных печей относятся в первую очередь электрические, где тепло получается за счет нагрева током спе­циальных нагревательных элементов, замурованных в стенки печи.

Цветные металлы и сплавы преимущественно нагревают в бес­пламенных печах.

Широкое применение находят в настоящее время индукцион­ные и контактные электрические устройства для нагрева метал­лов перед их обработкой давлением.

Индукционные электрические устройства возбуждают в на­греваемой заготовке вихревые токи, которые быстро разогре­вают ее.

В контактных устройствах к заготовке подводится переменный ток большой силы, напряжением 6—15 в. Нагрев заготовки происходит за счет тепла, возникающего в ней при прохождению тока.

Индукционные и контактные электрические устройства обеспечивают быстрый нагрев, отсутствие окалины и отличные гигиенические условия труда для рабочих.

Прокатка металлов — это такой процесс обработки металлов давлением, при котором уменьшается площадь поперечного сечения заготовки и уве­личивается ее длина.

Необходимость про­цесса прокатки как пер­вичной, а иногда и окон­чательной обработки ме­талла объясняется тем, что обычно металл вы­пускают из плавильных печей в большие разли­вочные ковши, из кото­рых его разливают в специальные формы — из­ложницы. В изложницах металл быстро застывает, образуя громоздкие слит­ки. Этим слиткам на про­катных станах придают определенную форму, не­обходимую для последующей обработки на станках.

С ущность процесса прокатки состоит в том, что слиток пропускается между двумя вращаю­щимися валками прокатного стана. Эти валки бы­вают с гладкой боковой поверхностью или имеют канавки (ру­чьи) на этой поверхности. Проходя через зазор (калибр) между валками, слиток превращается в прокат, имеющий в поперечном сечении определенный профиль (рис. 139).

Как видно из рисунка 139, наиболее грубый профиль у блю­мов, которые получают на мощных прокатных станах — блюмин­гах. Блюм — это продукт первоначального воздействия на сли­ток. Из блюма на других станах горячей прокаткой можно полу­чать любые другие виды проката определенного «сорта», так называемый «сортовой прокат»: круг, квадрат, угольник, корыто­образный профиль, двутавр, рельс и пр.

Д ля получения сортового проката необходимо посте­пенно изменять профиль блюма. Вот почему на прокатных вал­ках имеется не одна канавка (ручей), а несколько, в которых последовательно прокатывается блюм. На рисунке 140 изобра­жены валки прокатного стана для прокатки балки таврового профиля. Как видно из рисунка, валки образуют шесть калибров. На рисунке 141 приведена последовательность обработки в девяти калибрах прокат­ного стана рельсовых балок.

Прокатка позво­ляет получать не толь­ко сортовой прокат, но и лист. Листопро­катные станы ра­ботают подобно сорто­вым, с той лишь разни­цей, что их валки имеют гладкую ци­линдрическую форму и большую длину. Заготовки для листовой прокатки называются «слябами», так как по­лучаются на мощных прокатных станах — слябингах.

Рис. 141. Последовательность переходов при прокате рельсов на рельсобалочном прокатном стане:

1 — 9 — последовательные стадии обработки заготовки.

Листовая прокатка толстого листа (свыше 4 мм) осущест­вляется с предварительным нагревом сляба. Тонкий лист часто катают из толстого в холодном состоянии. Полученный про­каткой лист подвергают дополнительной обработке — обрезке, правке, травлению для удаления окалины.

Прокатка дает также возможность получать трубы. Для прокатки труб созданы специальные трубо­прокатные станы. Существует два способа изготовления труб: при одном могут быть получены шовные, при другом бесшовные трубы. Шовные трубы получают из листа путем его свертывания и сварки вдоль всего стыка. Бесшовные трубы получают на прокатных станах путем прошивки цилиндрического прутка (рис. 142) во время его прокатывания между двумя, расположен­ными под углом друг к другу фасонными валками.

На прокатных станах, подобных трубопрокатным для бесшов­ных труб, катают проволоку больших диаметров(5—10мм). Для того чтобы получить проволоку меньшего диаметра (до 0,1 мм), проволоку, изго­товленную на прокатных станах, подвергают воло­чению.

Волочение (рис. 143) — это такой технологический процесс, при котором за­готовка протягивается че­рез отверстие, площадь поперечного сечения которого меньше, чем площадь сечения за­готовки. При протягивании заготовка 1 приобретает профиль отверстия в волоке 2, площадь ее поперечного сечения умень­шается, а длина увеличивается.

Волочением получают не только проволоку, но и калиброван­ные прутки, а также трубы. Процесс дает высокую точность попе­речных размеров и является весьма производительным.

Д ля протягивания заготовки через волоку служат волочиль­ные станы.

Процессом, близким к волочению, является прессование (рис.144). Прессование осуществляется выдавливанием металла из замкнутого пространства через отверстие. Пруток 1, имею­щий сечение матрицы 2, получается из горячей заготовки 3, ко­торая в цилиндре 4 сжимается пуансоном 5, давление на который передается от плунжера 6 гидравлического цилиндра 7. Прессование позволяет очень производительно получать прутки различного профиля и размера, а также трубы.

Сортовой и листовой прокат потребляется всеми машиностро­ительными заводами, транспортом, строительством, связью и т. п.

Именно в виде сортового и листового проката до 76% стали, производимой в стране, с металлургических комбинатов расте­кается по многочисленным производственным артериям нашего народного хозяйства. Часть проката (балки, рельсы, трубы и т. п.) без дополнительной обработки непосредственно исполь­зуется в народном хозяйстве, особенно в строительстве, связи, сельском хозяйстве, на транспорте. В машиностроении же про­кат часто является лишь полупродуктом, из которого при помо­щи ковки и штамповки получают заготовки деталей машин.

Ковка металлов является широко применяемым процессом обработки металлов путем их деформирования. В ремонтных мастерских и в кузнечных цехах машиностроительных заводов изготовляются поковки всевозможных размеров и форм, пред­ставляющие собой заготовки различных деталей. Еще не так давно в кузницах главными действующими лицами были кузнец и молотобоец. Кузнец, удерживая в клещах кусок металла, по­ворачивал его то одной, то другой стороной на наковальне, а мо­лотобоец наносил удары кувалдой по тем местам заготовки, на которые указывал небольшим молотком (ручником) кузнец. Про­цесс механизации трудоемких работ привел к замене молото­бойца ковочными машинами — молотами и прессами.

Пневматические молоты (рис. 145) используются для ковки мелких деталей. Такой молот состоит из двух цилиндров 1 и 2, в которых пе­ремещаются поршни 3—4. Цилиндр 2 с поршнем является компрессором, кривошипно-шатунный механизм кото­рого приводится в действие от электро­двигателя 5 при помощи ременной передачи. Сжатый воздух из компрес­сора через воздухораспределительное в устройство 6 подается в верхнюю или нижнюю полость рабочего цилиндра 1. Это дает возможность совершать целую серию ковочных приемов: дер­жать бабу 7 с бойком 8 «на весу» или наносить удар по заготовке 9, уложен­ной на нижний боек 10; прижать заготовку к нижнему бойку и удерживать ее в таком положении; регулировать силу удара и т.п. Управление молотом производится при помощи педали 11, связанной с воздухораспределителем 6.

Рис. 145. Устройство пневматического ковочного молота:

а — общий вид; б — кинематическая схема;

1 — рабочий цилиндр; 2 —цилиндр компрессора; 3 и 4 — поршни; 5 — электродвигатель;

6 — воздухораспределительное устройство; 7 — баба; 8 — боек; 9 — заготовка; 10 — боек;

11 — педаль управления.

Д ля ковки более крупных заготовок применяют паровоздушные молоты (рис. 146), имеющие различную силу уда­ра, определяемую весом подающих частей — бабы 4 с бойком, штоком 3 и поршнем, находящимся в цилиндре 2. Баба пере­мещается по направляющим арочной станины 1. Удар нано­сится по нижнему бойку 6, укрепленному на массивном основа­нии 5— шаботе. Управление молотом осуществляется при по­мощи рукоятки 8, связанной с парораспределителем 7.

Свободная ковка дает возможность получать на одном и том же молоте или прессе поковки самых различных форм и разме­ров. Ковка производится в основном при помощи гладких бой­ков, а для придания поковке определенной формы кузнец пово­рачивает ее на нижнем бойке, подставляя верхнему то один, то другой участок для удара. Для осуществления различных ковоч­ных операций (осадки, вытяжки, прошивки и т. д.) применяются особые инструменты и приспособления.

С вободная ковка — трудоем­кий процесс, требующий от кузне­ца высокого мастерства. Поковки, полученные свободной ковкой, отличаются низкой точностью раз­меров и плохой чистотой поверх­ности и поэтому имеют большие припуски на обработку. Если это допускается при индивидуальном и мелкосерийном производстве, то при крупносерийном и массо­вом — нетерпимо. Поэтому в массовом и серийном производстве вместо свободной ковки приме­няется объемная штамповка.

О

Рис.147. Схема штамповки в одноручьевом штампе:

1 — верхний боек; 2 — нижний боек;

3 —заготовка; 4 — поковка.

бъемная штамповка произ­водится на молотах и прессах при помощи штампов — стальных бойков с ручьями, очертания которых соответствуют форме изготовляемой поковки. Число ручьев зависит от сложности поковки. Так, простая поковка мо

жет быть получена в одноручьевом штампе (рис. 147).

Для более сложных поковок применяются многоручьевые штампы (рис. 148).

Рис. 148. Нижняя часть многоручьевого штампа для объёмной штамповки.

Очевидно, что части штампа (нижний и верхний бойки) должны точно совпадать при каждом ударе молота, чтобы не было сдвига частей поковки, формуемых в обеих половинах штампа.

Для достижения такой точности штамповочные молоты (рис. 149) отличаются от ковочных большей жесткостью станины 1 и боль­шей длиной направляющих 2 бабы 3. Кроме того, шабот 4 соеди­нен со станиной 1 при помощи болтов 5 с пружинами 6. Такая конструкция обеспечивает большую точность штамповки. Однако молоты имеют тот недостаток, что в них деформация осущест­вляется ударом. Это вызывает огромные нагрузки на детали молота и штампы, а также создает большой шум в кузнечных цехах. Поэтому более прогрессивной является штамповка на кривошипных и гидравлических штамповочных прессах.

Рис.149.Устройство паровоздушного штамповочного молота:

1 — станина; 2 —направляющие; 3 —баба ; 4 — шабот; 5 —болт ; 6 —пружина ; 7 — рычаг управления.

Кривошипный штамповочный пресс (рис. 150) — это пресс, у которого при помощи кривошипно-шатунного механизма вра­щательное движение от электродвигателя преоб­разуется в поступатель­ное движение ползуна 7, несущего верхнюю часть штампа. Нижняя часть штампа, как и в молотах, закреплена на шаботе 10, связанном со станиной 11.

Рис.150.Схема устройства и действия кривошипного штамповочного пресса:

а — разрез вдоль оси ; б — схема ;

1 — электродвигатель; 2 — клиноременная передача; 3 — зубчатая передача; 4 — муфта; 5 — коленчатый вал; 6 — шатун;

7 — ползун; 8 — направляющая; 9 —тормоз; 10 — шабот; 11 — станина.

Ш тамповка на криво­шипных прессах осуществляется в одноручьевых и многоручьевых штампах, при этом полу­чается гораздо более точ­ная поковка, чем на штамповочных молотах, а также более высо­кая производительность. Штамповка на прессах осуществляется с гораздо меньшим шумом, чем на молотах.

Гидравлический штамповочный пресс (рис. 151) устро­ен таким образом, что давлением жидкости от насоса приводится в дви­жение траверса 5 с ук­репленной на ней верхней частью штампа 4. На фун­даментной опорной пли­те 1 установлена нижняя часть штампа 2. Благодаря направляющим стойкам (колон­нам) 6 пресс обладает большой точностью штамповки.

Кривошипные и гидравлические прессы используются не только для объемной штамповки, т. е. штамповки объемной детали из объемной заготовки, но и для листовой штамповки.

При листовой штамповке изменяются лишь виды штампов. Уже не обе части штампа имеют ручьи, а лишь одна имеет выемки и отверстия, а другая — соответствующие выступы (рис. 152). Первая называется матрицей, вторая — пуансоном.

Получение деталей методом вытяжки на листоштамповочном прессе показано на рисунке 152. На прессах могут осуществлять­ся и другие операции: гибка, вырубка, просечка и т. п.

Рис.152. Схема листовой штамповки методом вытяжки:

а — полого колпачка из плоской заготовки; б — меньшего колпачка из большего.

Листовая штамповка, как правило, производится без предва­рительного нагрева листов.

В машиностроении широко применяются небольшие детали типа болтов, валиков, гаек, шайб и т. п. Заготовки этих деталей получают (рис. 153) путем высадки из прутка на специальных горизонтально-ковочных машинах (рис. 154). Интересной особенностью горизонтально-ковочных машин яв­ляется устройство штампа 1, который состоит из трех частей — неподвижной и подвижной матриц и пуансона, что позволяет вести штамповку деталей с головкой.

Рис. 153. Последовательные стадии изготовления деталей на горизонтально-ковочной машине:

а, б — стержня с головкой; в — шайбы.

Заготовка сначала зажимается между матрицами благодаря давлению ползуна 4, который получает движение через систему передач 8—9—7—5—6 от электродвигателя 10. После того как пруток зажат в матрице, получает движение ползун 11, несущий пуансон, который осуществляет высадку. Матрицы штампов горизонтально-ковочных машин обычно имеют несколько ручьев. Количество пуансонов обычно равно количеству штамповочных ручьев.

Штамповка на горизонтально-ковочных машинах может быть горячей или холодной. Холодная штамповка обычно применяет­ся для изготовления мелких деталей на специальных холодновысадочных автоматах, подобных по устройству горизонтально-ковочным машинам.

Рис. 154. Горизонтально-ковочная машина:

а — общий вид; б — кинематическая схема;

1 —штамп; 2 — коленчатый вал ; 3 — шатун; 4 и 5 — ползуны; 6 — система рычагов; 7 —механизм перемещения ползуна; 8 — ременная передача; 9 — зубчатая передача; 10 — электродвигатель.

Наряду с литьем и обработкой давлением в машиностроении широкое применение для изготовления заготовок получили сварка и резка металлов. В ряде же отраслей народного хозяйства, где используется сортовой прокат без дополнительной обработки, сварка является и окончательным процессом изготовления конструкций.