книги из ГПНТБ / Колпашников А.И. Гидропрессование металлов

топкой прессрубашки [10, 21]. Эти недостатки ограни­ чивают применение обратного прессования.

Исследования процесса двустороннего прессования позволяют сделать вывод, что он занимает промежуточ­

совании равномерного характера. В целом проведен­ ный анализ показывает, что при существующей кинема­ тической схеме процессов прессования изменение на­ правления истечения металла не устраняет неравномер­ ный характер деформации.

Искусственное повышение пластичности деформиру­ емого металла при прессовании обеспечивается приме­ нением противодавления со стороны выходного конца прессизделпя. В настоящее время прессование с проти­ водавлением [19, 25] занимает ведущее место среди других процессов обработки тугоплавких и низкопла­ стичных металлов и сплавов. Повышение пластичности этих материалов достигается созданием резко выражен­ ной схемы всестороннего сжатия, близкого к равномер­ ному. При этом исключается возможность появления трещин при пониженных степенях деформации, так как противодавление устраняет появление остаточных рас­ тягивающих напряжений при выходе прессизделпя из канала матрицы.

Однако описываемый процесс по сравнению с про­ цессами прессования без противодавления осуществля­ ется при пониженных скоростях прессования, а меха­ низм течения не имеет существенных преимуществ. При­ менение этого процесса ограничивается, по-видимому, областью пластической обработки тугоплавких, жаро­ прочных и хрупких сплавов. При обычном прессовании трудно создать постоянное противодавление, так как

непрерывное увеличение поверхности трения при исте­ чении металла приводит к непрерывному возрастанию противодавления.

Воздействие на механизм мнкродеформаций прессу­ емого металла наблюдается в процессах ударного (взрывного) прессования, внбропрессовання и прессо­ вания с наложением ультразвуковых колебаний.

Взрывное прессование (выдавливание) [26] иссле­ дуют применительно к трудподеформируемым сплавам. В условиях динамического нагружения ударной волной в прессуемом сплаве происходят кинематические явле­ ния, вызывающие повышение его пластичности. Резуль­ таты лабораторных и промышленных экспериментов свидетельствуют о больших возможностях этого процес­ са в области выдавливания точных изделий заданной формы.

Вибропрессование находится в начальной стадии ла­ бораторного исследования [27]. Обнаружено, что нало­ жение виброколебаний вызывает заметное снижение на­ пряжения контактного трения и давления истечения, уменьшение неравномерности деформаций. Однако ра­ дикального улучшения режима деформации при истече­ нии металла не установлено. Процесс прессования с на­ ложением ультразвуковых колебаний сопровождается более значительным улучшением указанных характери­ стик [28], так как воздействие ультразвука качественно глубже и способно изменять кинетику деформации: ко­ лебательные напряжения вызывают увеличение количе­ ства микросдвигов при большей равномерности их рас­ пределения. Процесс исследован еще недостаточно, но имеющиеся результаты свидетельствуют о том, что сни­ жение микронеравиомерности деформаций вызывает лишь уменьшение сопротивления деформации, тогда как устранения технологической неравномерности деформа­ ции не происходит.

Искусственное или принудительное увеличение ско­ рости течения металла из периферийной зоны заготовки достигается в процессах изотермического, периферийнопоточного и активного прессования. Технология изотер­ мического прессования предусматривает выполнение двух условий: равенство температуры металла заготов­ ки и контейнера, а также обеспечение отвода деформа­ ционного тепла - с целью предотвращения локального

в условиях изотермического прессования при 700—900° С имеют контейнеры, изготовленные из сплава ЖС6-КП. Контейнер в процессе работы находится в печи с соот­ ветствующими нагревателем и теплоизоляцией. В каче­ стве смазки применяют стекла различных составов. При температуре контейнера смазка размягчается и благода­ ря этому обеспечивает в процессе прессования на всех участках контакта металла заготовки с инструментом надежную пленку. Равномерное распределение темпе­ ратуры по сечению заготовки и улучшение условий смазки обеспечивают более равномерное течение метал­ ла и распределение деформаций, устранение жестких зон (даже при прессовании через плоскую матрицу) [29].

Недостаток процесса — дороговизна контейнера и гро­ моздкость оснастки. Описанную технологию применяют

мируемых сплавов на основе алюминия достигают при­ менением водоохлаждаемой матрицы [31] или автома­ тическим регулированием скорости прессования [32]. Проводят эксперименты по применению так называемо­ го градиентного нагрева, при котором температура на­ чальной части заготовки па 150—200 град выше темпе­ ратуры задней части. При этом нагреве избыточное количество тепла в зоне деформации отводится в специ­ ально недогретую часть заготовки, помещаемую к прессшайбе [33].

Периферийно-поточный процесс прессования [34] осуществляют на прессах прямого действия с использо­ ванием заготовок, специально нагретых неравномерно: металл в осевой зоне заготовки нагрет меньше, чем в пе­ риферийной. В результате течение металла из перифе­ рийной зоны заготовки происходит интенсивнее. Это позволяет значительно уменьшить градиент скорости течения и даже изменить характер деформации.

Возможности периферийно-поточного прессования в достаточной мере еще не выяснены, однако его осо­ бенности обсуждены в ряде теоретических работ, в кото-

[17—19]. Следовательно, активным прессованием мож­ но ликвидировать недостатки, свойственные существу­ ющим процессам прессования, а главное — устранить вредный градиент скорости течения металла через канал матрицы.

Прессование с активным трением ограничено произ­ водством прессизделий из прочных металлов и сплавов, обнаруживающих в горячем и холодном состояниях вы-

Рнс. 8. Прессованно с активным трением:

а — прессование с принудительным движением контейнера [36]; о — прессвальцовка [39]

сокпе фрикционные свойства. Кроме того, для промыш­ ленного использования активного способа прессования необходимы специальные гидропрессы двойного дейст­

в очке матрицы при прессовании, обеспечиваемое заме­ ной неподвижного очка матрицы вращающимися валка­ ми, позволяет снизить неравномерность деформации. В результате этого снижается общее усилие деформиро­ вания и удельное усилие на стенки контейнера. Помимо этого, благодаря вращению валков поверхность очка из­ нашивается меньше, чем при обычном прессовании, так

и условия смазки, которая при вращении валков непре­ рывно поступает в очаг деформации. Как показывают проведенные работы, прессвальцовкой можно изготов­ лять детали переменного сечения типа стержня с одной

и двумя головками, симметричные и асимметричные [39,40].

Проведенный анализ развития технологии прессова­

но снизить технологическую неравномерность деформа­

достатков процесса прессования и основных направле­ ниях усовершенствования процесса с тем, чтобы более убедительно показать основные преимущества процес­ сов гпдропрессования. Фактически нет такого недостат­ ка процесса прессования, который бы частично или пол­ ностью не был устранен при гидропрессовании.

Как было показано в п. 1 настоящей главы, основ­ ные недостатки процесса прессования связаны с нали­ чием больших сил контактного трения, оказывающих тормозящее действие на всех участках движущегося ме­ талла заготовки. Поэтому при почти полном устранении этих сил трения, что имеет место при гндропрессовании, очевидно, возможно коренное улучшение процесса.

3. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ГИДРОПРЕССОВАНИЯ

Идея получения изделий методом прессования ме­ таллов жидкостью высокого давления впервые была выдвинута в 1893 г. англичанином Джеймсом Робертсоиом [41]. Однако в то время она не получила техниче­ ского воплощения. Как известно, первый пресс для вы­ давливания прутков из сплава дельта-металл был пред­ ложен А. Диком в 1894 г. [42]. Таким образом, можно считать, что развитие процессов прессования и гидро­ прессования шло параллельно. Более того, процесс полу­ чения свинцовых труб, предложенный еще в 1797 г. [43] и являющийся прототипом процесса прессования, мож­ но рассматривать как первую попытку осуществления гидропрессования. Он состоял в том, что расплавленный свинец, помещенный в чугунный котел, выдавливали ручным насосом через длинную трубу, являющуюся мат­ рицей.

Разработка процессов гидроэкструзии явилась ре-

зультатом поиска исследователей в двух направлениях. Первое направление — совершенствование процесса прессования. Авторы этого направления стремились уст­ ранить вредное влияние сил контактного трения на всех участках движения деформируемого металла. В 1924 г. Джендерс предложил обратный метод прессования, при котором благодаря отсутствию взаимного перемещения металла заготовки п контейнера не расходуется мощ­ ность пресса на преодоление сил трения, возникающих при перемещении металла в контейнере.

Применение смазки позволило существенно улуч­ шить процесс прессования п расширить группу прессуе­ мых металлов. Так, например, разработанные в СССР

в 1952 г. стеклосмазкп [19] позволили успешно прессо­

Предварительное нанесение смазки на заготовку или инструмент не обеспечивает наличие постоянной и на­ дежной смазочной пленки в процессе прессования, так как смазка может полностью или частично выжиматься из контактной зоны очага деформации. Поэтому иссле­

твердую при комнатной температуре шайбу из стеклосмазки закладывают в контейнер так, что она занимает объем мертвой зоны очага деформации. Затем в кон­ тейнер подается заготовка, нагретая до 900—1200° С. При этой температуре стеклосмазка размягчается и вме­ сте с движущимся металлом выносится в контактную зону очага деформации, благодаря чему достигается на­ дежная смазочная пленка между инструментом и дефор­ мируемым металлом в течение всего цикла прессования. После освобождения контейнера от прессостатка в него снова помещают стеклошайбу и повторяют цикл прес­ сования. Способ Сежурне широко применяют в настоя­ щее время при горячем прессовании труднодеформируемых металлов.

Для создания надежной равномерной смазочной пленки в процессе прессования при самых различных температурах исследователи разрабатывают способы не-

прерывной принудительной подачи смазки в контактную зону очага деформации. На рис. 9 приведена схема прессования с принудительной и непрерывной подачей смазки [45]. Давление смазки должно быть того же порядка, что и напряжения в металле в контактной зо­ не. В рассматриваемом способе такие давления созда­ ются непосредственно от усилия прессования, так как матрица, опираясь па масляную подушку 2, со­ здает необходимое дав­ ление в смазке. Смазка перетекает по специаль­ ным отверстиям в матри­ це / в контактную зону очага деформации. Боль­ шое преимущество спо­ соба —• самоустанавли­ вающаяся пропорцио­ нальность между давле­

ки в контактную зону при колебаниях усилия прессо­ вания.

Любую схему гидроэкструзии можно рассматривать как логическое завершение развития способа прессова­ ния с принудительной подачей смазки к поверхности инструмента.

Для тугоплавких и радиоактивных металлов, а так­ же порошковых материалов применяют технологию прессования в пластичной оболочке, для которой исполь­ зуют мягкие сорта стали, медь и другие высокопластичиые и пизкопрочные материалы [19].

При высоких температурах и напряжениях указан­ ные оболочки можно рассматривать как квазижидкую среду, передающую давление и обеспечивающую на­ дежную смазочную прослойку между деформируемым металлом и прессовым инструментом. По описываемой технологии (см. рис. 6) заготовку труднодеформируемого материала 2 помещают в стакан 3, изготовленный из высокопластичного материала. Сверху в стакан

вставляют заглушку /, выполненную из того же мате­ риала. Собранную таким образом заготовку с пластич­ ной оболочкой помещают в печь и нагревают до требуемой температуры. После выдержки при этой тем­ пературе заготовку вместе с оболочкой переносят в кон­ тейнер пресса и производят выдавливание.

Второе направление развития гидроэкструзии — ра­ боты ученых в области физики твердого тела при высо­ ких и сверхвысоких давлениях.

Еще в 1888 г. Галлок применил жидкость высокого давления для деформирования воска и свинца и опро­ верг существовавшую в то время теорию о том, что при высоких давлениях твердые вещества переходят в жид­

ний на механические свойства веществ была опублико­ вана в 1893 г. [12].

Далее следуют известные работы Кармана (1912 г.) по осаживанию мрамора и песчаника в условиях боко­ вого давления жидкости [1]. Опыты Кармана убеди­ тельно показали связь пластичности с напряженным со­ стоянием материала.

Пластичность вещества проявляется тем больше, чем резче выражена схема объемного сжатия, т. е. чем боль­ ше отношение CTJ/OJ и оу'о^ (где о- !—максимальное по абсолютной величине главное напряжение).

Неожиданные результаты, полученные Карманом, вызвали большой интерес к изучению особенностей де­ формации различных материалов в условиях высоких гидростатических давлений.

В 1923 г. Адаме подтверждает, что вещества, подоб­ ные известняку и мрамору, допускают деформации сжа­ тия при наличии бокового подпора. Беккер в 1926 г. предпринял попытку выдавить с помощью жидкости вы­ сокого давления мрамор из отверстия [46]. Несколько позднее Кик провел аналогичный эксперимент по выдав­ ливанию каменной соли и штамповке монет из мра­ мора [47].

С. И. Губкин [11] обобщил результаты исследований деформируемости материалов в условиях высоких гид­ ростатических давлений и дал объяснение влияния дав-

леиия па пластичность материалов. При высоких гид­ ростатических давлениях возможны лишь сдвиговые де­ формации; межкристаллитные, значительное проявление которых служит началом разрушения материала, сильно затруднены. Согласно теории С. И. Губкина, для обеспе­ чения высокой пластичности в хрупких телах необхо­ димо не только наличие трехосного сжатия во всем объеме деформируемого тела, но и обеспечение условий возможно более равномерного протекания деформации.

в 10 раз меньше, чем требовалось Карману для осадки мрамора на 8—9% [48].

Фундаментальные исследования в области физики твердого тела при высоких и сверхвысоких давлениях провел Бриджмен. В 1952 г. он опубликовал схему прес­ сования металлов жидкостью [4]. Впоследствии этот процесс получил название гидростатического прессова­ ния или гидроэкструзии.

Бриджмен осуществил на своей установке волоче­ ние стальной проволоки в условиях всестороннего дав­ ления жидкости и гидропрессоваиие меди, при этом он предполагал, что обработка металла жидкостью высоко­ го давления улучшит . механические свойства изделий. Однако проведенные исследования не выявили сущест­ венной разницы в механических свойствах гидроэкструдироваииого материала и материала, обработанного обычными методами с той же степенью деформации. Бриджмен объясняет отсутствие эффекта гидроэкстру­ зии в его работах слишком низкими давлениями жидко­ сти, при которых происходило выдавливание металлов.

Из-за несовершенства технологии гидропрессования, которую применял Бриджмен, попытка повысить давле­ ние выдавливания приводила к разрушению металла при выходе из очка матрицы. Поэтому Бриджмен ука­ зывает лишь на одно преимущество гидроэкструзии, а именно на возможность повышения разовых и сум­ марных деформаций металлов по сравнению с обычны­ ми методами обработки давлением [2—4]. После экспе­ риментов, проведенных Бриджменом, значительно воз­ рос интерес к проблеме практического использования метода гидростатического прессования-