Материаловедение и технология конструкционных материалов
.pdf392 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
|
2 |
3 |
4 |
Рис. 16.13. Камерная электропечь с выдвижным подом
с частью передней стенки, имеет возможность с помощью специ ального привода выезжать за пределы печи. При этом нагрева тельные элементы 3 и основная часть печи 4 остаются неподвиж ны. Это дает возможность загружать крупные заготовки 2 цеховым подъемно-транспортным оборудованием (кранами, электротель ферами и т.д.).
Электрические печи легко могут быть механизированы и авто матизированы, что позволяет встраивать их в автоматические поточные линии.
При ОМД для нагрева заготовок кроме пламенных и электри ческих печей применяются электронагревательные установки (устройства). Распространены два типа электронагревательных установок — индукционного и контактного (прямого) нагрева.
Индукционные установки (рис. 16.14) представляют собой индуктор-соленоид из медной трубки 2, намотанной на огне упорную трубу 3, в которую помещают заготовку 1. Соленоид подключают к генератору переменного тока 4. Для охлаждения
Рис. 16.14. Схема установки индукционного нагрева
16. Основы теории обработки металлов давлением |
393 |
соленоида внутри трубки пропускают холодную воду. При про хождении через соленоид переменного тока в индукторе созда ется переменное электромагнитное поле, под действием которого в заготовке по закону электромагнитной индукции возникают вихревые токи, что ведет к выделению теплоты и нагреву заго товки до требуемой температуры. Частоту тока выбирают в зави симости от диаметра заготовок: чем больше диаметр заготовки, тем меньше частота применяемого тока. Для питания индукци онных нагревательных устройств служат машинные, ламповые
итиристорные преобразователи частоты тока.
Вустановках электроконтпактного нагрева через заготовку пропускают электрический ток большой силы (1...40 кА), но малого напряжения (2...20 В) и за счет сопротивления в заго товке выделяется тепловая энергия. Схема установки электроконтактного нагрева представлена на рис. 16.15.
2 3
Рис. 16.15. Схема электроконтактной установки
К нагреваемой заготовке 1 с помощью контактов 2 подключена вторичная обмотка понижающего трансформатора 3. Электроконтактный способ рекомендуется использовать в крупносерийном и массовом производстве для нагрева длинномерных заготовок диаметром до 100 мм, имеющих постоянное поперечное сечение по длине, для которых l> l,5 d 2, где I — длина заготовки, d — диаметр заготовки.
В И Д Ы О Б Р А Б О Т К И М Е Т А Л Л О В Д А В Л Е Н И Е М
л.
Волочение
Волочение — процесс обработки Давлением, при котором пла стическая деформация заготовки в холодном состоянии осущест вляется за счет ее протягивания через постепенно сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой, или фильерой. Схема волочения прутка и трубы и примеры профилей, полу чаемых волочением, представлены на рис. 17.1. Волочение труб можно производить без оправки и на оправке, если требуется уменьшить наружный диаметр и толщину стенки. При этом мо гут применяться оправки, движущиеся вместе с трубой, жесткозакрепленные оправки (рис. 17.1, б) и плавающие, или самоустанавливающиеся. Волочение на оправках позволяет получить трубы с высокой точностью размеров и качеством внутренней поверхности. При волочении площадь поперечного сечения заго товки уменьшается, а длина увеличивается. Поэтому количест венно деформацию при волочении можно оценить коэффициентом
а |
б |
в
1
Рис. 17.1. Схемы волочения прутка (а), трубы (б) и примеры профилей, получаемых волочением (в):
1 — фильера; 2 — заготовка; 3 — оправКа
17. Виды обработки металлов давлением |
395 |
вытяжки (I — отношением полученной длины к исходной или отношением площади исходного поперечного сечения к конеч ному.
В связи с тем что на выходящем из волоки конце прутка или трубы пластическая деформация недопустима, величина дефор мации за один проход ограничена и коэффициент вытяжки не должен превышать 1,05...1,5, а сама она осуществляется в хо лодном состоянии.
При волочении возникает трение между заготовкой и инстру ментом, что приводит к увеличению тягового усилия и, соответ ственно, мощности оборудования. Силы трения можно умень шить, выбирая оптимальную шероховатость рабочей поверхности фильер, подавая смазку в зону деформации и накладывая ульт развуковые колебания.
В связи с низким коэффициентом вытяжки обычно для полу чения необходимых размеров сечения заготовок процесс волоче ния повторяют многократно, а для восстановления пластичности металл, упрочненный волочением, подвергают промежуточному отжигу после одного-двух переходов.
В настоящее время применяют волочильные доски со встав ными фильерами из инструментальных сталей, твердых сплавов и технических алмазов.
Волочение производят на барабанных и цепных станах. Ба рабанные станы (рис. 17.2) служат для волочения проволоки и прутков небольшого диаметра. Исходную заготовку в виде бунта 1 укладывают на барабан 2. Предварительно заостренный конец проволоки пропускают через отверстие в волоке 3 и за крепляют на барабане 4, который приводится во вращение от электродвигателя через редуктор и зубчатую передачу 5. Кроме
Рис. 17.2. Схема барабанного волочильного стана
396 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
станов для однократного волочения существуют станы для мно гократного волочения. Они имеют до 20 барабанов с установ ленными перед каждым из них волоками.
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Цепной волочильный стан (рис. 17.3) состоит из станины I, приводной звездочки 8, волокодержателя с волокой 3 и звездоч ки 2. Между звездочками 8 и 2 имеется цепь 7, верхняя ветвь которой движется от волоки к приводной звездочке. Вращение приводной звездочки осуществляется электродвигателями через редуктор. По направляющим станины на катках передвигается тележка 5, снабженная крюком 6 для захвата цепи и клещами 4 для захвата переднего конца заготовки, протягиваемой через волоку. Такие станы применяют для волочения относительно коротких прутков и труб длиной 5...10 м. Усилие волочения цепных волочильных станов 5...1500 МН, скорость волочения 10...20 м/мин. Для сравнения: усилие волочения барабанных станов 25...75 МН, скорость волочения 30...120 м/мин.
Н И Прессование
Прессование — способ обработки металлов давлением, при котором металл выдавливают из замкнутой полости через от верстие инструмента, называемого матрицей, в результате чего получают изделие с сечением по форме отверстия матрицы (рис. 17.4).
При прессовании металл подвергается всестороннему неравно мерному сжатию, благодаря чему имеет высокую пластичность.
17. Виды обработки металлов давлением |
397 |
Рис. 17.4. Примеры профилей, получаемых прессованием
Коэффициент, характеризующий степень деформации и опре деляемый как отношение площади сечения заготовки к площа ди сечения прессуемого профиля, при прессовании составляет
10...50.
Кнедостаткам прессования следует отнести значительные отходы, так как весь металл заготовки не может быть выдавлен из контейнера через отверстие матрицы, и в нем остается так называемый пресс-остаток, который после окончания прессова ния отрезается от полученного профиля. При прессовании труб большого диаметра масса пресс-остатка может достигать 40 %
массы исходной заготовки.
Существуют два способа прессования: прямой и обратный. При прямом прессовании (рис. 17.5, а) заготовку 3 помеща
ют в контейнер 4, укрепленный на раме 5 пресса, в отверстие которой устанавливают матрицу 6. При движении пуансона 1
Рис. 17.5. Схемы прямого прессования сплошного (а) и полого (б)
профилей и обратного прессования сплошного (в) и полого (г) профилей
398 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
спресс-шайбой 2 металл заготовки выдавливается через отвер стие матрицы 6.
При обратном прессовании (рис. 17.5, в) заготовка 3 помеща ется в глухой контейнер 4 и при прессовании остается неподвиж ной, а деформируемый металл при движении матрицы 6 пере мещается навстречу ей. Обратное прессование требует меньших усилий, и остаток металла (пресс-остаток) от прессуемой заго товки менЬше, чем при прямом, но техническое выполнение про цесса для длинных заготовок проще при прямом прессовании.
Основными причинами образования пресс-остатка являются ускоренное охлаждение поверхности заготовки за счет ее контакта
сконтейнером и наклеп поверхностных слоев в связи с трением
остенки контейнера. Так как при прямом прессовании переме щение поверхностных слоев заготовки больше, чем при обратном прессовании, то, соответственно, и усилие прессования, неравно
мерность деформации и пресс-остаток также будут больше. Для прессования труб и полых профилей в заготовке необ
ходимо предварительно получить сквозное отверстие, которое в большинстве случаев прошивают на том же прессе. В процессе прессования (рис. 17.5, б, г) металл заготовки 3 выдавливается пуансоном 1 в зазор между матрицей 6 и иглой 7.
Заготовкой при прессовании служит слиток или прокат. Большое влияние на качество поверхности и точность прессо ванных профилей оказывает состояние поверхности заготовки. Поэтому заготовку чаще всего предварительно обтачивают на станке, а после нагрева ее поверхность тщательно очищают от окалины.
Прессованием получают изделия разнообразного сортамента из цветных металлов (Си, Pb, Al, Zn, Mg и др.) и их сплавов: прутки диаметром 3...250 мм, трубы диаметром 20...400 мм со стенкой толщиной 1,5...12 мм и другие профили (см. рис. 17.4). Из углеродистых сталей 20, 30, 40, 50, конструкционных 30ХГСА, 40ХН, коррозионно-стойких 12Х18Н10Т и других высоколе гированных сталей прессуют трубы с внутренним диаметром 10...160 мм со стенкой толщиной 2...10 мм, профили с полкой толщиной 2...2,5 мм и линейными размерами поперечных сече ний до 200 мм.
Инструмент при прессовании работает в очень тяжелых усло виях, при высоких давлениях и температурах. Износ его умень шают применением смазочных материалов, которые снижают
17. Виды обработки металлов давлением |
399 |
коэффициент трения на поверхности контакта матрицы и де формируемого металла. В качестве смазки применяют графит, дисульфид молибдена и специальные виды жидкого стекла. Применение жидкого стекла при прессовании труб позволяет уменьшить трение и увеличить скорость выдавливания, предо храняя в то же время инструмент от перегрева.
ШЭШПрокатка
Прокаткой называют вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется вращающимися гладкими или имеющими соответствующие канавки (ручьи) валками. Вза имное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различными. При этом получают прокат — готовые изделия или заготовки для последующей обработки ковкой, штам повкой, прессованием, волочением или резанием. В прокат пере рабатывают до 80 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов й сплавов, его используют в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.
17.3.1. Виды прокатки
Существуют три основных вида прокатки: продольная, попе речная и поперечно-винтовая (косая). При продольной прокатке (рис. 17.6, I) заготовка 2 деформируется между гладкими или имеющими калибры валками 1, вращающимися в противополож ные стороны, и перемещается перпендикулярно к осям валков.
При поперечной прокатке, (рис. 17.6, II) валки 1 вращаются в одном направлении, оси их параллельны, а заготовка 2 дефор мируется ими, вращаясь вокруг своей оси.
При поперечно-винтовой (косой) прокатке (рис. 17.6, III) валки 1 вращаются в одном направлении, оси их расположены под некоторым углом, благодаря чему заготовка 2 деформирует ся валками и при этом не только вращается, но и перемещается поступательно вдоль своей оси.
На рис. 17.7 изображена схема продольной прокатки. В про цессе прокатки толщина заготовки уменьшается при одновремен ном увеличении ее длины и ширины. Деформация заготовки ха рактеризуется обжатием и коэффициентом вытяжки.
400 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
Рис. 17.6. Основные виды прокатки:
I — продольная прокатка (а — в гладких валках; б — в калибрах); II — попе
речная прокатка; III — поперечно-винтовая (косая) прокатка (а — в гладких валках; б — в спиральных валках; в — винтовая (косая) прокатка труб)
Рис. 17.7. Схема продольной прокатки
1 7. Вилы обработки металлов давлением |
401 |
Обжатие — уменьшение толщины заготовки. Различают аб солютное обжатие
ДА —йо /ij,
где Л0 — толщина заготовки до прокатки; hx — толщина заго товки после прокатки, и относительное обжатие
е= — 100 % = ~°~hl 100 %.
Кh0
Коэффициент вытяжки
Х = Ь. = *1,
lo |
F l |
где l0, F0 — длина и площадь сечения до прокатки; l1,Fl — те же величины после прокатки.
Во время прокатки заготовка непрерывно втягивается в за зор между валками под действием сил трения между ними и по верхностью заготовки. Для осуществления процесса прокатки необходима определенная величина сил трения. Так, во время продольной прокатки заготовка находится под действием двух основных сил: трения Т и нормальной N, действующей со стороны валков. Спроецировав эти силы на горизонтальную ось, можно записать условие захвата металла валками:
Тх = Tcosa; N x =N sin a.
Угол a называется углом захвата. Заменив силу трения ее значением Т = [LN, где ц — коэффициент трения, получим
Тх = \iNeosa.
Для осуществления процесса прокатки должнб выполняться следующее условие:
TX^ N X или ^ c o sa ^ iV s in a ;'
^sin a
------ ; cos a
\i>tga,
т.е. для осуществления захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.