4. Технологические процессы обработки материалов давлением

Металлургическое производство подразделяется на 2 основные стадии. В первой получают металл заданного химического состава из исходных материалов. Во второй стадии металлу в пластическом состоянии придают ту или иную форму при практически неизменном химическом составе обрабатываемого материала.

Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используют в технике. При этом изменение формы осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Получение изделий, таким образом, называют обработкой металлов давлением (ОМД). Давящий на металл инструмент придает слитку или заготовке необходимую форму и размеры, так же происходит придание металлу необходимых механических свойств.

Существуют следующие основные виды ОМД:

• Прокатка;

• Волочение;

• Прессование;

• Ковка;

• Штамповка.

Прокатка металлов является таким видом пластической деформации, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками прокатного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы. Существуют три основных способа прокатки: продольная, поперечная, поперечно-винтовая.

Продольная прокатка (0а) деформирование заготовки (2) осуществляется между двумя вращающимися в разные стороны валками (1 и 3). Продвижение заготовки в зеве валков и ее обжатие осуществляется за счет сил трения.

Схемы: а – продольной прокатки; б – схема поперечной прокатки; в – схема поперечно– винтовой прокатки.

Поперечная прокатка, приведена простейшая схема, (0б) видно, что оси прокатных валков 1 и 3 и обрабатываемой заготовки 2 параллельны. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка, круглого сечения, в противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается от смещения в валках с помощью специальных приспособлений, называемых проводками. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается соответствующей профилировкой (калибровкой) валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят изделия, представляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни).

Поперечно–винтовая прокатка выполняется во вращающихся в одном направлении валках, расположенных под углом друг к другу (0в). Эти станы используют при производстве труб, для прошивки (изготовления отверстия) слитка или заготовки в гильзу.

В момент соприкосновения круглой заготовки с вращающимися валками, имеющими наклон к оси обрабатываемой заготовки, ей передается вращательно-поступательное (винтовое) движение. Возникают силы, как вдоль ее оси, так и направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил приводит к вращению заготовки, относительно ее оси, втягиванию в суживающуюся щель, происходит деформация, то есть происходит обжатие заготовки валками и ее удлинение вдоль оси бочки.

Волочение металла (0) – это протягивание изделия (1) круглого или фасонного профиля через отверстие волочильного инструмента, называемого волокой (2). Площадь отверстия выходного сечения волоки меньше площади сечения исходного изделия. Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки, панели.

Схема процесса волочения

Схема процесса прессования

Прессование металла (0) – это процесс вытеснения металла помещенного в контейнер (1), через отверстие матрицы (2). При этом выходящий конец (3) заготовки получает сечение, соответствующее контуру отверстия матрицы. Прессованием получают прутки, трубы, сортовые профили, панели. Наибольшее применение этот способ ОМД нашел при обработке цветных металлов.

Схема свободной ковки

Ковка (0) – это деформирование заготовки (2) с помощью универсального подкладного инструмента или бойков (1 и 3). Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют врезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно - поступательное движение. В результате многократного воздействия инструмента на заготовку и ее перемещение получает необходимую форму и размеры.

Объемная горячая или холодная штамповка – это придание заготовке заданной формы и размеров осуществляется путем заполнения металлом рабочей плоскости штампа (0).

Схема объемной штамповки

Листовая штамповка является таким видом ОМД, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других изделий (0) в качестве исходного материала используют лист и ленту. При этом обработка изделия выполняется без значительного уменьшения толщины листа.

Схема листовой штамповки

Среди приведенных выше способов ОМД прокатка занимает главенствующую роль. Примерно 80% всего выплавляемого металла проходят через прокатные станы, полученный заготовки и сортамент используют в строительстве, машиностроении, используют для других видов обработки таких как:

1. ковка – исходный материал заготовка, прокат круглого или прямоугольного сечения;

2. штамповка – лист или лента;

3. волочение – катанка, получаемая на проволочных станах;

4. обработка резанием – прокат круглого, прямоугольного сечения или лист.

Производство изделий из металлов и сплавов основывается на теории обработки металлов давлением, являющейся базой разработки технологических операций получения изделий, проектирования, эксплуатации оборудования.

Пластическая деформация металла при прокатке

Механизм пластической деформации.

Любой металл является кристаллическим телом, с правильным расположением атомов в кристаллической решетке.

При затвердевании жидкого металла образуются кристаллы правильной геометрической формы и правильным внутренним строением. При дальнейшем росте, кристаллов, происходит встреча с соседними зернами, что приводит к изменению внешней геометрической формы, она становится неправильной. Такие кристаллы называются зернами, 0.

Соприкосновение зерен происходит по кривым линиям. Прослойка, проходящая между зернами, надежно скрепляет эти зерна между собой.

Вследствие большого числа исследований выявлено, что разрушение металла происходит чаще всего не по границам зерен, а по самим зернам, то есть по плоскости скольжения кристаллов.

Схема образования кристаллических зерен металла и границ между зернами .

Если воздействовать на образец (в данном случае мы рассматриваем растяжение образца из мягкой низкоуглеродистой стали) внешней силой, то образец начнет деформироваться, 0. На участке ОА происходит удлинение образца, пропорционально нагрузке. Если снять нагрузку, в пределах этого участка, то образец примет свою первоначальную форму и размеры. Такая деформация называется упругой или обратимой.

Диаграмма растяжения образца малоуглеродистой стали.

Увеличивая нагрузку на образец, после достижения упругой деформации, которая соответствует точкеА, приращение деформации не будет пропорционально увеличению нагрузки, участок АС, и удлинение образца возрастает в большей степени чем увеличение нагрузки. Дальнейшее увеличении нагрузки приводит к разрушению образца, точка С. Если мы снимем нагрузку в пределах кривой АВ, то образец останется деформированным и не примет своих первоначальных форм и размеров.

Деформация, при которой тело после снятия нагрузки не возвращается к своей прежней форме и не восстанавливает своих первоначальных размеров, но не теряет своей целостности, называется пластической деформацией. Состояние тела при этом называется пластическим.

Очевидно, что для начала пластической деформации необходимо преодолеть упругие свойства металла. Отсюда следует, что всякой пластической деформации предшествует упругая деформация. Основное назначение процессов ОМД – пластическая деформация металлов с приданием им требуемой формы и размеров. Для этого к металлу прикладывают такое внешнее давление, которое создает в нем так называемое предельно внутренне напряжение, вызывающие изменение формы металла (течение в направлении меньшего сопротивления), но не нарушающие связи между частицами, т.е. не вызывающие разрушений.

При упругой деформации атомы смещаются из положения устойчивого равновесия, причем это смещение очень небольшое и оно не превышает расстояния между атомами.

При пластической деформации атомы смещаются на значительные расстояния, превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке, и занимают новое положение устойчивого равновесия. Вследствие этого меняются также механические и физические свойства металла. Пластическая деформация возможна тогда, когда металл обладает пластичностью, то есть металл деформируется без разрушения.

На ряде опытов было показано, что деформация происходит путем ряда сдвигов вдоль определенных плоскостей, называемых плоскостями скольжения. При сдвиге этих плоскостей на поверхности образуются следы, называемые линиями скольжения.

Плоскости скольжения обычно совпадают с плоскостями действия максимальных касательных напряжений и составляют с направлением действия внешнего усилия угол около 45°.

Пластическая деформация может начаться тогда, когда в металле будет создано определенное напряженное состояние. При этом касательные напряжения на плоскостях скольжения достигнут определенной предельной величины и будут способны преодолевать внутреннее сопротивление на плоскостях скольжения и по границам зерен металла.

Штамповка жидкого металла

Штамповка жидкого металла является одним из прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать плотные заготовки с уменьшенными пропусками на механическую обработку, с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Технологический процесс штамповки жидкого металла объединяет в себе процессы литья и горячей объемной штамповки.

Процесс заключается в том, что расплав, залитый в матрицу пресс-формы, уплотняют пуансоном, закрепленным на ползуне гидравлического пресса, до окончания затвердевания.

Сопряжение пуансона и матрицы образует закрытую фасонную полость. Наружные контуры заготовки получают разъемной формой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной формой – при отсутствии выступов. Внутренние полости образуются внедрением пуансона в жидкий металл.

После извлечения из пресс-формы заготовку подвергают различным видам обработки или используют без последующей обработки.

Под действием высокого давления и быстрого охлаждения газы, растворенные в расплаве, остаются в твердом растворе. Все усадочные пустоты заполняются незатвердевшим расплавом, в результате чего заготовки получаются плотными, с мелкокристаллическим строением, что позволяет изготавливать детали, работающие под гидравлическим давлением.

Этим способом можно получить сложные заготовки с различными фасонными приливами на наружной поверхности, значительно выходящими за пределы основных габаритных размеров детали. В заготовках могут быть получены отверстия, расположенные не только вдоль движения пуансона, но и в перпендикулярном направлении.

Возможно запрессовывать в заготовки металлическую и неметаллическую арматуру.

Процесс используется для получения фасонных заготовок из чистых металлов и сплавов на основе магния, алюминия, меди, цинка, а также из черных металлов.

Формообразование заготовок из порошковых материалов

Заготовки из порошковых материалов получают прессованием (холодным, горячим), изостатическим формованием, прокаткой и другими способами.

При холодном прессовании в пресс-форму засыпают определенное количество подготовленного порошка и прессуют пуансоном.

В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки достигается благодаря силам механического сцепления частиц порошка электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы, вследствие чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру, меньшим единицы, и заготовки втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки, меньшим трех.

Двустороннее прессование применяют для формообразования заготовок сложной формы. После заполнения пресс-формы порошком к верхнему пуансону с помощью гидропресса прикладывают давление для предварительного прессования. Затем гидропривод выключают и удаляют подкладку. В дальнейшем в процессе прессования участвуют оба пуансона. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30…40 %. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить требуемое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругому и пластическому деформированию. После извлечения заготовки из пресс-формы ее размеры увеличиваются в результате упругого последействия.

При горячем прессовании технологически совмещаются прессование и спекание заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6…0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву уплотнение протекает гораздо интенсивнее, чем при холодном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью и однородностью структуры. Этот способ применяют для таких плохо прессуемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды).

Изостатическое (всестороннее) формование применяют для получения крупногабаритных заготовок с массой до 500 кг и более. Отсутствие потерь на внешнее трение и равномерность давления со всех сторон дают возможность получать необходимую плотность заготовок при давлениях, значительно меньших, чем при прессовании в закрытых пресс-формах.

При гидростатическом формовании (0) на порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, передается давление с помощью жидкости, находящейся в сосуде высокого давления 1. В качестве рабочей жидкости используют масло, глицерин, воду и т.д.

Рис.1 Схема гидростатического формования

Прокатка – наиболее производительный и перспективный способ переработки порошковых материалов. Характерной особенностью является высокая степень автоматизации и непрерывность прокатки. Схема прокатки представлена на р0.

Рис 2.Схема прокатки порошков

Порошок непрерывно поступает из бункера 1 (0а) в зазор между валками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Прокатка может быть совмещена со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке для получения листов заданных размеров. Применяя бункеры с перегородкой (02б) изготавливают ленты из разных материалов (двухслойные). Применение валков определенной формы позволяет получать валки различного профиля, в том числе и проволоку.