Раздел 3. Технология получения заготовок и деталей методами обработки металлов давлением (омд). Основные характеристики процесса ковки.

Горячая ковка применяется для изготовления различных изделий, а также инструментов: чеканов, зубил, молотков и т.п.

Основные операции при проведении ковки

Осадка– операция обработки давлением, в результате которой уменьшается высота и одновременно увеличиваются поперечные размеры заготовок (рис. 37).

Осадку применяют для получения формы поковки, с целью уменьшения глубины прошивки, для обеспечения соответствующего расположения волокон в будущей детали (при изготовлении шестерней обеспечивается повышенная прочность зубьев в результате радиального расположения волокон), как контрольную операцию (из-за значительной деформации по периметру на боковой поверхности вскрываются дефекты).

 

Рис. 37. Схемы осадки и ее разновидностей

Протяжка (вытяжка) – кузнечная операция, в результате которой происходит увеличение длины заготовки за счет уменьшения площади ее поперечного сечения.

Протяжка не только изменяет форму заготовок, но и улучшает качество металла. Операция заключается в нанесении последовательных ударов и перемещении заготовки, при этом между бойками во время удара находится только часть заготовки. После каждого обжатия заготовка продвигается на величину, меньшую, чем длина бойка (рис.38. а, б).

 

Рис. 38. Схемы протяжки и ее разновидностей.

а, б – нанесение последовательных ударов и перемещение заготовки при протяжке (вытяжке); в – разгонка (расплющивание); г – протяжка на оправке; д – раскатка на оправке.

 

Разгонка (расплющивание) – операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины (рис. 38. в). Операция выполняется за счет перемещения инструмента в направлении, перпендикулярном оси заготовки.

Протяжка на оправке – операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенки и уменьшения наружного диаметра (рис. 38. г).

Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3и верхнем плоском 2) на слегка конической оправке 1. Протягивают в одном направлении – к расширяющемуся концу оправки, что облегчает ее удаление из поковки. Оправку предварительно нагревают до температуры 160…200 ⁰ С.

Раскатка на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 38. д). Заготовка 5 опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 6, устанавливаемую концами на подставках 7, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком 4. После каждого обжатия заготовку поворачивают относительно оправки.

Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вначале раскаткой уничтожают бочкообразность предварительно осаженной и прошитой заготовки и доводят ее внутренний диаметр до требуемых размеров. Затем протяжкой с оправкой уменьшают толщину стенок и увеличивают до заданных размеров длину заготовки.

Прошивка– операция получения в заготовке сквозных или глухих отверстий за счет вытеснения металла (рис. 39).

 

 

 

Рис. 39. Схемы прошивки (а, б), гибки (в), штамповки в подкладных штампах (г).

 

Инструментом для прошивки служат прошивни сплошные и пустотелые. Пустотелые прошивают отверстия большого диаметра (400…900 мм). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца (рис. 39. б). Более толстые поковки прошивают с двух сторон без подкладного кольца (рис. 39. а). Диаметр прошивня выбирают не более половины наружного диаметра заготовки, при большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается. Прошивка сопровождается отходом (выдрой).

Гибка – операция придания заготовке или ее части изогнутой формы по заданному контуру (рис. 39. в). Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в месте изгиба (утяжка). Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Для избежания этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления. Радиус в месте изгиба не должен быть меньше полутора толщин заготовки. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны.

Оборудование для ковки

В качестве оборудования применяются ковочные молоты и ковочные прессы. Оборудование выбирают в зависимости от режима ковки данного металла или сплава, массы поковки и ее конфигурации. Необходимую мощность оборудования определяют по приближенным формулам или справочным таблицам.

Молоты – машины динамического ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной падающими частями молота к моменту их соударения с заготовкой. Часть энергии теряется на упругие деформации инструмента и колебания шабота – детали, на которую устанавливают нижний боек. Чем больше масса шабота, тем выше КПД. Обычно масса шабота в 15 раз превышает массу падающих частей, что обеспечивает КПД на уровне 0,8…0,9.

Для получения поковок массой до 20 кг применяют ковочные пневматические молоты, работающие на сжатом воздухе. Сила удара определяется силой давления сжатого воздуха, и может регулироваться в широких пределах. Масса падающих частей составляет 50…1000 кг. Основные параметры молотов регламентируются ГОСТами.

Для получения поковок массой до 350 кг применяют ковочные паровоздушные молоты. Они приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7…0,9 МПа. Масса падающих частей составляет 1000…8000 кг. Параметры регламентируются ГОСТами.

Прессы ковочные гидравлические – машины статического действия. Продолжительность деформации составляет до десятков секунд. Металл деформируется приложением силы, создаваемой с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса. Выбираются прессы по номинальному усилию, которое составляет 5…100 МН. Применяют в основном для получения крупных заготовок из слитков.

 

ЛИСТОВАЯ И ОБЪЁМНАЯ ШТАМПОВКА

· Разрезка – разделение заготовки на части по незамкнутому контуру.

· Вырубка – полное отделение заготовки или изделия от исходной заготовки по замкнутому контуру.

· Пробивка – образование в заготовке отверстия или аза путем сдвига с удалением части материала в отход.

· Обрезка – удаление излишков металла путем сдвига.

· Чистова вырубка – вырубка в условия всестороннего неравномерного сжатия в зоне разделения материала.

· Чистовая пробивка – пробивка в условия всестороннего неравномерного сжатия в зоне разделения материала.

· Проколка – образование в заготовке отверстия без удаления материала в отход.

· Надрезка – неполное отделение части заготовки путем сдвига.

· Зачистка – удаление технологических припусков с помощью штампа с образованием стружки для повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности штампованной заготовки.

· Высечка – полное отделение заготовки или изделия от исходной заготовки по замкнутому контуру путем внедрения инструмента.

· Просечка – образование отверстия в заготовке путем внедрения инструмента с удалением части материала в отход.

 

Формообразующие операции:

· Гибка – образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы.

· Вытяжка – образование полой заготовки или изделия из плоской или полой исходной листовой заготовки.

· Вытяжка с утонением – вытяжка полой заготовки с обусловленным уменьшением толщины стенок исходной полой заготовки без изменения ее внутреннего диаметра.

· Комбинированная вытяжка – вытяжка полой или плоской заготовки с обусловленным изменением толщины стенок и с изменением диаметра полой заготовки.

· Обтяжка – образование заготовки заданной формы путем приложения растягивающих усилий к ее краям.

· Формовка – образование рельефа в листовой заготовке за счет местных растяжений без обусловленного изменения толщины материала.

· Отбортовка – образование борта по внутреннему и (или) наружному контуру заготовки.

· Обжим – уменьшение размеров поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по всему периметру.

· Раздача – увеличение размеров поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по всему периметру.

· Скручивание – поворот части заготовки вокруг продольной оси.

· Правка – устранение искажения формы заготовки (детали) пластическим деформированием.

· Калибровка – повышение точности размеров штампованной заготовки и уменьшение шероховатости ее поверхности.

· Закатка – образование закругленных бортов на краях полой заготовки.

Материалы для листовой штамповки.

Прокат для листовой штамповки должен удовлетворять требованиям комплекса механических, технологических и эксплуатационных свойств.

В зависимости от назначения и условий работы изделия, а так же технологии штамповки металл подбирают с теми или иными механическими и технологическими характеристиками.

При разделительных операциях металлы с высоким пределом текучести дают чистый срез. Для формоизменяющих операций, наоборот, желателен низкий предел текучести, что способствует уменьшению упругих деформаций после штамповки. Глубокая вытяжка протекает тем лучше, чем больше больше относительное удлинение и чем больше разница между временным сопротивлением разрыву и пределом текучести данного металла. Достаточно хорошим отношением можно считать σ_т/σ_в ≤ 0,65 при относительном удлинении δ > 28 %.

Доля листовой штамповки применяют прокат черных метало, прокат цветных металлов, неметаллические материалы.

Марки листовой стали применяемые в основном для листовой штамповки:

Углеродистая обыкновенного качества Ст 0 – Ст 6

S = 0,5 – 4 мм

Листовая углеродистая качественного и

Обыкновенного качества общего назначения 05 кп -50

S = 0,2 – 3,9 Ст 0 – Ст5

Прокат тонколистовой холоднокатаной

из малоуглеродистой качественной стали 08 Ю, 08 пс,

для холодной штамповки 08 кп

S = 0,5 – 3 мм

Прокат тонколистовой из конструкционной 14 Г2, 09Г2,12ГС

низколегированной стали 16ГС, 15ГФ, 14ХГС

S = 0,5 – 3,9 мм

Листовая легированная конструкционная 60Г, 20Х, 10Г2

сталь общего назначения 25ХГСА, 30ХГСНА

S = 0,5 – 3,9

Тонколистовая коррозионно-стойкая, 08Х13, 12Х13

жаростойкая и жаропрочная 12Х17, 12Х18Н9Т

S = 0,7 – 3,9

Широко применяется двухслойный и трехслойный листовой прокат (биметалл) с основным слоем из углеродистой или низколегированной стали и плакирующего слоя из меди, латуни, алюминия, цинка, олова, свинца или коррозионностойких сталей, никеля, составляющего 10 – 25% от общей толщины листа. Применяются также металлопласты – стальные листы покрытые пластмассой.

 

Прокат сплавов цветных металлов.

Медные листы марок М1, М2, М3 используются для штамповки электротехнических изделий.

Латунные листы марок Л96, Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), Л70, Л68, Л63, ЛС 59-1.

Листовой цинк Ц1, Ц2, Ц3, Ц4 применяют для изготовления игрушек.

Листовой свинец С1, С2, С3 и С4 используют для прокладок и в серно кислотных установках.

Бронзы для листовой штамповки применяются с содержанием олова до 7%. Бронзы марок БрОЦ4-3 и БрОФ6,5 – 0,25 применяются для штамповки плоских пружин электротехнических приборов и телефонных аппаратов. Безоловянистые алюминиевые бронзы БрА5, БрА7 применяются для изготовления специальных пружин.

Никель марок Н1, Н2, Н3 изпользуют для изготовления лабораторных приборов, химической посуды. Никелевые сплавы: мельхиор марки МН19, нейзильбер марки МНЦ15 – 20 применяют для изготовления электротехнических приборов, деталей часов, ювелирных изделий, столовых приборов.

Алюминий марок А1, А2, А3, АД и АД1 используют для деталей автомобилей и самолетов, деталей аппаратов, полых тонкостенных цилиндров, изделий домашнего обихода. Дюралюмины марок Д1, Д6, Д16 и сплав В95 широко используют в самолетостроении, для изготовления деталей моторных лодок, приборов и посуды. Сплав АМц применяют для изготовления чайных и столовых ложек. Сплав АМч используется для деталей, получаемых рельефной и неглубокой вытяжкой.

Магниево-марганцевые сплавы МА1, МА5, МА8 для штамповки вытяжкой нагревают до 360 – 380 ⁰С. В штамповочном производстве используются титановые сплавы марок ВТ1, ВТ3, ВТ5, ВТ6 – С, ВТ8, ВТ9, ВТ10, ВТ14, ОТ4 – 1. Они малопластичны в холодном состоянии. Поэтому некоторые операции штамповки проводят с подогревом.

 

Неметаллические материалы.

Неметаллические листовые материалы, обрабатываемые штамповкой, можно разделить на 4 основные группы:

1. Пластмассы, слоистые и волокнистые пластики и термопластики гомогенной (однородной) структуры. Слоислые и волокнистые пластмассы изготовляют прессованием волокнистых материалов, пропитанных связующими материалами – смолами. К ним относятся гетинакс, текстолит, стелотекстолиты, асботекстолиты и др. К листовым материалам гомогенной структуры (термопластики) относят: органическое стекло, полистирол, винипласт, винипроз, целлулоид и др.

2. Материалы на основе бумаги и резины. Это резина, картон, эбонит, фибра. Сюда же можно отнести кожу, войлок, фетр, лакоткани и др.

3. Материалы минерального происхождения (асбест, слюда).

4. Комбинированные материалы сложной композиции (фольгированные слоистые пластики, асбостальные листы, стеклотекстолит, армированный металлической сеткой, листовые металлы, покрытые слоем полихлорвинила и др.).

 

Разделительные операции листовой штамповки.

Резка.

Резка листового материала выполняется на ножницах с возвратно-поступательным движением ножей (плоские ножи) и с вращательным движением ножей (дисковые ножи). Отделение части заготовки происходит путем деформации сдвига.

Ножи устанавливаются с некоторым зазором Z. При отрезке возникает изгибающий момент М. Изгибающий момент вызывает поворот отрезаемой заготовки, что в свою очередь вызывает возникновение расширяющих реакций N.

Для устранения возможности поворота листа предусмотрено прижимное устройство, создающее силу прижима Q.

Значение боковых распирающих реакций N составляют: при отрезке без прижима N=0,18÷0,35P; при отрезке с прижимом N=0,1÷0,2P. Под действием реакции N зазор увеличивается, что ухудшает качество среза.

Процесс отделения одной части металла от другой можно расчленить на отдельный стадии.

 

В начале первой стадии отрезки пластическая деформация сосредоточена у рабочих кромок ножей. По мере смыкания ножей очаги пластической деформации увеличиваются и смыкаются. Вторая стадия начинается при необратимом смещении одной части листа относительно другой. Когда ресурс пластичности будет исчерпан начинается 3-ая стадия – опережающий скол.

Каждой стадии соответствует определенный вид боковой поверхности. Зона 1 представляет собой скрученную часть листа. Зона 2 – блестящая поверхность, сглаженная силами трения, h=0,2÷0,8S. Чем мягче металл тем больше h.

Зона 3 – неровная поверхность скола. β = 4 – 6 ⁰ – угол скола.

В зависимости от зазора и величины h трещины скалывания от верхнего и нижнего ножей могут пройти параллельно или навстречу друг другу. В последнем случае зазор будет оптимальным.

 

Z_опт = (S-h) tgβ

Для мягких металлов зазор меньше, для хрупких больше. Чем толще лист, тем зазор больше.

Двусторонний зазор для разделительных штампов в % от S приведены в таблице.

S, мм	Металлы при σв, МПа	Неметаллические материалы
≤ 200	200-400	400-600	>600 и закаленные до HRC 45-50	Фибра, текстолит	Картон, бумага, асбест
0,1-0,5	3 – 5	5 – 7	7 – 9	10 – 12	1 – 2	0,5 – 1
0,6-0,8	4 – 6	6 – 8	8 – 10	11 – 13	2 – 3	0,5 – 1
1,0-1,5	4 – 6	6 – 8	8 – 10	11 – 13	2 – 3	1 – 2
1,8-2,0	5 – 7	7 – 9	9 – 11	12 – 14	2 – 3	1 – 2
2,0-3,0	5 – 7	7 – 9	9 – 11	12 – 14	3 – 4	1 – 2
3,5-5,0	7 – 10	9 – 12	11 – 14	14 – 16	3 – 4	1 – 2
6,0-10	10 – 13	12 – 15	14 – 17	17 – 20	3 – 4	1 – 2
11-16	13 – 16	15 – 18	17 – 20	20 – 23	3 – 4	1 – 2

 

Резка на листовых гильотинных ножницах.

Используются ножницы с параллельным и наклонным расположением ножей, с механическим и гидравлическим приводом. Гидравлический привод применяется для отрезки толстого проката толщиной до 40 мм.

Преимущество ножниц с параллельным расположением ножей – металл не искривляется, недостаток – большое усилие резки. Преимущество ножниц с наклонным расположением ножей – меньшее усилие резки, недостаток – искривление металла.

Усилие отрезки на ножницах с параллельными ножами:

P = σ_срLSK

где: σ_ср – предел прочности материала при срезе, МПа, σ_ср ≈ 0,7 – 0,8σ_в;

К = 1,1 – 1,3 – коэффициент, учитывающий притупление кромок ножа.

Усилие отреза на ножницах с наклонными ножами:

P = KS²σ_ср/ 2 tgφ,

формула получена из условия, что в каждый момент времени срезается площадь листа F = S²/ 2 tgφ/

Угол φ выбирается в пределах φ = 2 – 6⁰

Для улучшения процесса резанья у ножей затачиваются передний γ и задний α углы. α = 1,5 – 3 ⁰. Для твердых и средней твердости материалов γ = 5 – 15 ⁰, для мягких материалов γ = 20 – 25 ⁰.

 

Резка на роликовых ножницах.

Отрезка осуществляется двумя дисковыми ножами равного диаметра, вращающимися с одинаковой окружной скоростью. Ножи устанавливаются с перекрытием рабочих кромок на величину d = (0,2 – 0,4)S.

 

Рассмотрим условия захвата листа дисковыми ножницами:

Ножи захватывают лист в том случае, если:

2Tcosα > 2Ncosβ,

т.е 2μNcosα > 2Nsinα

где: μ – коэффициент трения; α = 90⁰ – β.

Отсюда μ ≥ tgα.

Т.о. для захвата листа ножами необходимо, чтобы тангенс угла наклона касательной к контуру ножа в точке контакта с листом был равен или меньше коэффициента трения μ (при μ = 0,2; α = 12⁰).

Условие захвата на установившейся стадии отрезки

μ ≥ tgα_ср, где α_ср = (α + α₁)/2 , тогда μ ≥ tg [(α + α₁)/2]

В связи с малыми значениями α и α₁ , можно принять

tg [(α + α₁)/2] ≈ tg(α/2) + tg(α₁/2) ≈ sin(α/2) + sin (α₁/2)

Используя геометрические зависимости, получим:

R(1 – cosα) = d/2 + S/2; R(1 - cos α₁) = d/2

Сделав тригонометрические преобразования, можно записать:

2Rsin²(α/2) = (d + S)/2; 2R sin²(α₁/2) = d/2

Откуда:

sin(α/2) = √(S +d)/(2√R); sin(α₁/2) = √d/(2√R)

Подставив значения sin(α/2) и sin(α₁/2) получим условие захвата для установившейся стадии отрезки в функции параметров S, d, R:

μ ≥ [1/(2√R)]( √(d + S) + √d)

Отсюда можно определить минимальный диаметр ножа:

2R = Д_mih≥ [d + √(d + S)d + 0,5S]/ μ²

Если d = (0,2 – 0,4)S, то Д ≥ (1,0 – 1,2)(S/ μ²)

Разрезка может производиться ножами с профильными осями, с наклонным нижним ножом, с наклонными ножами.

Ножи с параллельными осями применяются для резки листов на полосы,

для резки круглых заготовок с выходом на край листа.

α < 14⁰, b = (0,2 – 0,3)S

Размер ножей :

при S > 10 мм Д = (25 – 30)S, h = 50 – 90 мм

при S < 3 мм Д = (35 – 50)S, h = 20 – 25 мм

 

Разрезка с наклонным нижним ножом применяется для резки полос, круглых

и кольцевых заготовок.

γ = 30 - 40⁰

Размер ножей:

при S > 10 мм Д = 20S, h = 50 – 80 мм

при S < 3 мм Д = 28S, h = 15 – 20 мм

 

 

Наклонные ножи применяются для резки круглых, кольцевых и криволинейных заготовок c малым радиусом.

a ≤ 0,2S; b ≤ 0,3S;

Размеры ножей:

при S ≥ 10мм Д = 12S, h = 40 – 60мм

при S < 5 мм Д = 20S, h = 10 -15мм

Усилие резки, действующее параллельно линии, соединяющей центры ножей, равны произведению площади очага деформации на сопротивление срезу:

P = Fσ_ср, или P = K(S² σ_ср)/(4tgα_ср)

Отсюда:

P = KS² σ_ср√R/[2(√(S + d) + √d)]

Крутящий момент:

М_кр = (PД/2)sinα или М _кр = 0,125 KS² σ_срДcosα

Cosα = (Д – d – S)/Д,

тогда М _кр = 0,125 KS² σ_ср(Д – d – S)/d

Мощность электродвигателя:

N = (М _кр ω)/η = (М _кр πn)/30η, МВт

Где: ω – угловая скорость вращения ножа, с^-1;

n – частота вращения ножей, об/мин;

М _кр – крутящий момент, МН*м;

η = 0,7 – 0,8 – коэффициент полезного действия.

 

Вырубка и пробивка

Вырубкой и пробивкой получают плоские детали из листа путем деформации сдвига. Выполняется в штампах, рабочие органы которых: пуансон и матрица. Вырубка, в отличии от резки, - операция индивидуальная, т.к. инструмент соответствует форме и размером определенной детали.

Напряженное и деформированное состояние при вырубке и пробивке – объемное.

Зазор между матрицей и пуансоном можно определить так же, как и при резке.

При штамповке особенно тонкого металла S < 0,3 мм применяют беззазорные штампы.

1 – матрица

2 – пуансон, 3 – съемник

При вырубке напровал без использования прижима усилие вырубки и пробивки приближенно определяется по формуле:

где: К– коэффициент, учитывающий притупл5ение кромок пуансона и матрицы, К=1,1-1,3;

L – длина отделяемого контура;

S –толщина металла;

s_ср – сопротивление срезу (для малоуглеродистых сталей s_ср=0,7 s_в).

При вырубке с прижимом усилие определяется по формуле:

где: F_м– сила трения вырубленного металла о матрицу;

F_п – сила трения металла о пуансон;

F_м + F_п= Р_пр – усилие проталкивания;

F_п= Р_сн – усилие съема;

где: h – высота блестящего пояска (h=0.3 S);

s_rп – контактные напряжения на боковой поверхности пуансона (s_rп»s_ср)

m=0,2 – коэффициент трения.

Тогда: Р_сн=0,06·L·S·s_ср = 0.06·Р_вп

Приближенно можно принять Р_пр =2· Р_сн

Для уменьшения усилия вырубки и пробивки применяют матрицы и пуансоны со скошенной кромкой.

 

 

Вырубка матрицей со скошенной кромкой.

Пробивка пуансоном со скошенной кромкой.

При вырубке круглой заготовки формула для определения усилия Р_вп имеет вид:

При Н=S

При Н=0.5 ¸1.0 S

При вырубке прямоугольной заготовки с размерами b·c формула имеет вид: b

МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ (ПРОКАТКА,ВОЛОЧЕНИЕ,ПРЕССОВАНИЕ)

Машиностроительные профили – длиномерные изделия (у которого один размер – длина значительно больше поперечных размеров) с определенной формой поперечного сечения. Данные о группе профилей, различающихся фо­рмой и размерами, называют сортамен­том. Весь сортамент машиностроитель­ных профилей, получаемых обработкой давлением, можно разделить на четыре основные группы: сортовые профили, листовой металл, трубы и периодичес­кие профили.

Сортовые профили (рис. 23, а) делят на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и т. д.).

Листовой металл из стали и цветных металлов используют в различных от­раслях промышленности. В связи с этим листовую сталь, например, делят на автотракторную, трансфор­маторную, кровельную жесть и т. д. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым, алю­миниевым и пластмассовым покрыти­ями. Кроме того, листовую сталь делят на толстолистовую (толщиной 4-160 мм) и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы делят на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы используют в на­иболее ответственных случаях в тру­бопроводах, работающих под внутрен­ним давлением, в агрессивных средах.

Периодические профили имеют пе­риодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки (рис. 23, б); их приме­няют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как за­готовку под окончательную механи­ческую обработку.

Рис. 23 Примеры сортовых и периодических профилей

 

Для изготовления машиностроитель­ных профилей применяют прокатку, прессование, волочение. По­этому кроме группирования по приве­денным геометрическим признакам профили разделяют и по способу их изготовления.

Производство прокатанных профилей

Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. При прокатке ме­талл пластически деформируется вра­щающимися валками. Взаимное рас­положение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различ­ными. Кроме наиболее распространен­ного вида прокатки - продольной (рис. 3.4,6) выделяют еще два ви­да - поперечную и поперечно-винтовую.

При поперечной прокатке (рис. 24, а) валки 1, вращаясь в одном направле­нии, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 24,б) валки 1 расположены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и по­ступательное движение.

Рис. 24 Схемы поперечной (а) и поперечно-винтовой (б) прокатки:1-валки: 2-заготовка; 3-оправка

 

При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка – об­разование отверстия в слитке или круг­лой заготовке. Эту операцию выпол­няют в горячем состоянии на прошив­ных станах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под небольшим углом (5-15°) друг к другу (см. рис. 24, б). Оба валка 1 вращаются в одном на­правлении, т. е. в данном случае ис­пользуется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому рас­положению валков заготовка 2 получа­ет одновременно вращательное и по­ступательное движение. При этом в металле возникают радиальные рас­тягивающие напряжения, которые вы­зывают течение металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю полость, и облегчают про­шивку отверстия оправкой 3, устанав­ливаемой на пути движения заготовки.

Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространенном методе трубу про­катывают на короткой оправке 2 в так называемом автоматическом двухвал­ковом стане (рис. 25). Валки 1 образу­ют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закрепленной на длинном стержне оправкой 2 и ручьями валков определяет тол­щину стенки трубы.

 

Рис. 25 Схема прокатки труб на автома­тическом стане

Сварные трубы изготовляют из плос­кой заготовки - ленты (называемой штрипсом) или из листов, ширина которых соответствует длине (или по­ловине длины) окружности трубы. Про­цесс изготовления сварной трубы вклю­чает следующие основные операции: гибку плоской заготовки в трубу, свар­ку кромок, уменьшение (редуцирование) диаметра полученной трубы.

При получении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам.

Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станах попе­речно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, но и за­готовки шаров, роликов подшипников качения (рис. 26). Валки 2 и 4 враща­ются в одну сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 7 при про­катке получает вращательное и посту­пательное движение; от вылета из вал­ков она предохраняется центрирующи­ми упорами 3.

Рис. 26 Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки

Производство прессованных профилей

При прессовании металл выдавлива­ется из замкнутой полости через от­верстие, соответствующее сечению прессуемого профиля.Этим процессом изготовляют не только сплошные профили, но и полые (рис. 27). В этом случае в заготовке необходимо предварительно получить сквозное отверстие. Часто отверстие прошивают на том же прессе. В процес­се прессования при движении пуансона 1 с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавливается в зазор между мат­рицей 3 и иглой 4. Прессование по рассмотренным схемам называется пря­мым. Значительно реже применяют об­ратное прессование, схема деформиро­вания которого аналогична схеме об­ратного выдавливания (см. рис. 27, а).

 

Рис. 27 Схема прессования полого профи­ля (а) и примеры профилей, полученных прессованием (б)

 

К недостаткам прессования следует отнести большие отходы металла: весь металл не может быть выдавлен из контейнера, и в нем остается так называемый пресс-остаток, который по­сле окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс-остатка может достигать 40% массы исходной заготовки (при прессовании труб большого диаметра).

Волочение машиностроительных профилей

Волочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения внешнего диаметра) и с оправкой (для уменьше­ния внешнего диаметра и толщины стенки). На рис. 28, апоказана схема волочения трубы 7 на короткой удер­живаемой оправке 3. В этом случае профиль полученной трубы определя­ется зазором между волокой 2 и оправ­кой 3.

Поскольку тянущая сила, приложен­ная к заготовке, необходима не только для деформирования металла, но и для преодоления сил трения металла об инструмент, эти силы трения стараются уменьшить применением смазки и по­лированием отверстия в волоке.

Рис. 28 Схема волочения трубы (а) и при­меры профилей, полученных волочением (б)

 

Получение поковок машиностроительных деталей

Виды поковок

Поковкой называют заготовку дета­ли, полученную обработкой металлов давлением. Огромное разнообразие ма­шиностроительных деталей и соответ­ственно такое же разнообразие форм и размеров поковок обусловливает существо­вание различных способов изготовления поковок.

Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим техно­логию их изготовления. Такими призна­ками являются масса, конфигурация, марка сплава и тип производства.

Изготовление поковок может осуще­ствляться по схемам свободного пла­стического течения между поверхностя­ми инструмента или затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно превышающее давление при свободном пластическом течении металла. Вследствие этого поковки боль­шой массы затруднительно изготовлять штамповкой. Для тяжелых поковок еди­нственно возможным способом изготовления является ковка — вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные бойки, а также раз­личный подкладной инструмент. Таким образом, при ковке используют уни­версальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент — штамп, из­готовление которого при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Поэтому в единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически более целесообразна. Чем больше партия одинаковых поковок, тем более специализирован­ным может быть технологический процесс их изготовления, так как применение более сложного, а значит более дорогого, инструмента и специального оборудования экономически оправдано.

Рис. 29 Виды машиностроительных поковок

 

Упрощенно поковки можно раз­делить на такие группы:

осесимметричные типа дисков и колес (рис. 29, 1, а); втулок и колец (рис. 29, 1, б); осесимметричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных (рис. 29, 2); осесимметричные типа ва­лов и осей (рис. 29, 3), длина которых вдоль оси больше поперечных разме­ров; неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков (рис. 29, 4} с меньшим или большим соотношением габарит­ных размеров; к этой многочисленной группе относятся поковки гаечных клю­чей, шатунов, звеньев гусениц тракто­ров, лопаток турбин, крюков грузопо­дъемных механизмов, коленчатых ва­лов и др.

Кроме такого разделения поковок по типу деталей при технологических рас­четах по конфигурации поковки делят на группы сложности. Критерием слож­ности поковки может быть отношение объемов поковки и описанной вокруг нее простой геометрической фигуры – призмы или цилиндра.

Ковка

Процесс ковки состоит из чередова­ния в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется харак­тером деформирования и применяемым инструментом.

К основным операциям ковки относят­ся осадка, протяжка, прошивка, отруб­ка, гибка.

Осадка - операция уменьшения вы­соты заготовки при увеличении пло­щади ее поперечного сечения (см. рис. 30, а). Осаживают заготовки меж­ду бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осажи­вают лишь на части длины заготовки.

Протяжка - операция удлинения заготовки или ее части за счет умень­шения площади поперечного сечения (рис. 30, а).

Рис. 30 Схемы протяжки и ее разновидностей

 

Протяжку производят по­следовательными ударами или нажати­ями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с по­дачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг этой оси. При слиш­ком малой подаче могут получиться зажимы (рис. 30, б).

Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытесне­ния металла (рис. 31, а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).

Отрубка - операция отделения ча­сти заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку дефор­мирующего инструмента - топора (рис. 31, г).

Гибка - операция придания заго­товке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 31,е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п.

Рис. 31 Схемы операции ковки:а—двусторонняя прошивка; б—сквозная прошивка; в—прошивни; г—отрубка; д—топоры; е—гибка ж—штамповка в подкладных штампах

Оборудование для ковки выбирают в зависимости от режима ковки дан­ного металла или сплава, массы поков­ки и ее конфигурации. Необходимую мощность оборудования обычно определяют по приближенным формулам или справочным таблицам.

Ковку выполняют на ковочных моло­тах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты — машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысяч­ные доли секунды. Металл деформиру­ется за счет энергии, накопленной по­движными (падающими) частями мо­лота к моменту их соударения с за­готовкой. Поэтому при выборе моло­тов руководствуются массой их падающих частей. -

Гидравлические прессы — машины ста­тического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением силы, со­здаваемой с помощью жидкости (вод­ной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса.

Технологические требования к дета­лям, получаемым из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны быть наиболее про­стыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями (рис. 32, 1-4). В поковках следует избегать конических (рис. 32, 5) и клиновых (рис. 3.22, 6) форм. Необходимо учиты­вать трудности выполнения ковкой участков пересечений цилиндрических по­верхностей между собой (рис. 32, 7) и с призматическими поверхностями (рис. 32, 8). В поковках следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п., учитывая, что эти элементы в большинстве случаев из­готовить ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится при­бегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Кроме того, следу­ет стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.

Рис. 32 Правильные и нежелательные формы поковок