Технология конструкционных материалов
.pdf300 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
Время нагрева Т (ч) в этом случае можно определить по формуле Н.Н. Доброхотова
Т = aJcDjD,
где к — коэффициент, зависящий от марки стали (для углеродистых и низколегированных сталей к= 10, для высокоуглеродистых и высоко легированных сталей к = 20); D — диаметр или сторона квадрата заго товки, м; а — коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок в печи (рис. 15.9). Чем плотнее уложены заготовки в печи (меньше расстояние /), тем больше коэффициента и длительнее нагрев загото вок.
D |
, D |
|
|
жш тш т а = 1 |
а —1 |
а = 1 |
а = 1,25 |
ЗЁоо■У//////////
Рис. 15.9. Влияние способа укладки заготовок в печи на коэф ф ициент а
Заготовки из высоколегированных сталей нагревают в два этапа из-за возможного их разрушения в результате возникновения термиче ских напряжений при большой скорости нагрева: сначала их медленно подогревают до 650 °С, а затем, когда пластичность сплава увеличива ется, окончательно нагревают с большой скоростью до температуры горячей пластической деформации. Общее время нагрева составляет Т = Г, + Т2, где Г, и Т2 — время соответственно первого и второго эта пов нагрева:
Тх =«13,3D-Jb\ Т2 =а6,7О Ж
Процесс охлаждения (особенно заготовок из легированных сталей) при обработке давлением является ответственной технологической операцией, которая при неправильном выполнении может привести к браку, так как при охлаждении трещины в заготовках образуются чаще, чем при нагреве. Скорость охлаждения не должна превышать
Глава 15. Основы теории обработки металлов давлением |
301 |
допустимых значений. Заготовки из низко- и среднеуглеродистых сталей можно охлаждать на воздухе поштучно или группами на стел лажах. Крупные поковки из легированных сталей охлаждают медлен но вместе с печью, давая выдержки по нескольку часов при опреде ленных температурах. Цикл охлаждения заготовок зависит от их хи мического состава и размеров и для крупных поковок может длиться несколько суток.
15.3.2. Нагревательные устройства
На заводах применяют различные по принципу действия и конструк ции нагревательные устройства. Они классифицируются по номи нальной (максимальной рабочей) температуре, способу нагрева и их конструктивным признакам, определяющим режим загрузки-выгруз ки заготовок.
По способу нагрева нагревательные устройства делятся на пламен ные и электрические. В пламенных печах требуемой температуры до стигают сжиганием в специальных горелках мазута или газа. В свою очередь, электрические нагревательные устройства подразделяются:
□на электропечи сопротивления косвенного нагрева, в которых нагрев осуществляется энергией, выделяющейся в элементах сопро тивления, через которые пропускают ток;
□электрические установки прямого контактного нагрева, в ко торых электрический ток проходит непосредственно через заготовку, нагревая ее;
□установки индукционного нагрева, в которых заготовку поме щают в электромагнитное поле, создаваемое токами высокой частоты.
Деление нагревательных устройств на печи и установки условное и означает, что в печах заготовки нагреваются излучением и конвекци ей за счет теплоты рабочего пространства печи, а в установках тепло та возникает внутри самой заготовки.
По принципуработы нагревательные устройства бывают периодиче
ского и непрерывного действия (методические). В нагревательных уст ройствах периодического действия (камерных) заготовки загружают и выгружают через одно и то же окно, а в процессе нагрева они остаются неподвижными. Вметодических (проходных) нагревательных устройст вах заготовки загружают через загрузочное окно, перемещают в про цессе нагрева через рабочее пространство и выгружают через окно вы грузки.
302 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
В камерныхпечах (рис. 15.10) заготовки 2 укладывают на под печи 1 через загрузочное окно 4и после нагрева выгружают через то же окно, которое закрывается заслонкой 5. Рабочее пространство печи нагре вается газом, сжигаемым с помощью двух горелок 3. Газообразные продукты сгорания из рабочей камеры отводятся через дымоход 6.
Рис. 15.10. Камерная нагревательная печь
В кузнечных цехах крупносерийного и массового производства для нагрева заготовок под горячую объемную штамповку применяют печи непрерывного действия — методические и полуметодические. Полуметодические пламенные печи применяются чаще. Они прин ципиально не отличаются от методических, но имеют меньшую длину и более высокую скорость нагрева.
Полуметодическая печь (рис. 15.11), имеющая вытянутую форму, состоит из камер предварительного 7 и окончательного 3 нагрева. Камеры нагреваются горелками 2и6, причем в камере 3 их больше, чем в камере 7. Заготовки 5 укладывают на загрузочную площадку 9 и проталкивают гидравлическим толкателем 10 через печь к окну выгрузки 1. Нагреваемые заготовки движутся в направлении, про тивоположном движению газов (на рисунке показано стрелками).
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Рис. 15.11. Полуметодическая пламенная печь
Глава 15. Основы теории обработки металлов давлением |
303 |
Скорость передвижения заготовок такова, что каждая из них нахо дится в печи одинаковое время, необходимое для нагрева до требуе мой температуры. С целью увеличения срока службы пода печи и уменьшения усилия проталкивания заготовок на поду устанавлива ют жароупорные направляющие в виде труб или рельсов 4. Эконо мичность работы печи повышают применением рекуператора, кото рый устанавливают над печью в месте выхода газов, отходящих через дымоходы 8.
Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее эко номичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко приме няют, так как он позволяет повысить производительность труда, ав томатизировать процесс и обеспечить его высокую стабильность, улучшить условия труда и сократить потери металла на окалинообразование (угар).
Электрические печи сопротивления по конструкции похожи на пламенные печи, но вместо горелок внутри рабочего пространства ус танавливают нагревательные элементы, через которые пропускают электрический ток.
Типовая конструкция камерной электропечи с выдвижным подом
показана на рис. 15.12. Под печи 1, чаще всего вместе с частью перед ней стенки, имеет возможность с помощью специального привода выезжать за пределы печи. При этом нагревательные элементы 3 и ос новная часть печи 4 остаются неподвижны. Это дает возможность за гружать крупные заготовки 2 цеховым подъемно-транспортным обо рудованием (кранами, электротельферами и т. д.).
Электрические печи легко могут быть механизированы и автома тизированы, что позволяет встраивать их в автоматические поточные линии.
Рис. 15.12. Камерная электропечь с выдвижным подом
304 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
При ОМД для нагрева заготовок кроме пламенных и электриче ских печей применяются электронагревательные установки (устрой ства). Распространены два типа электронагревательных установок — индукционного и контактного (прямого) нагрева.
Индукционные установки (рис. 15.13) представляют собой индук тор-соленоид из медной трубки 2, намотанной на огнеупорную тру бу 3, в которую помещают заготовку 1. Соленоид подключают к гене ратору переменного тока 4. Для охлаждения соленоида внутри трубки пропускают холодную воду. При прохождении через соленоид пере менного тока в индукторе создается переменное электромагнитное поле, под действием которого в заготовке по закону электромагнит ной индукции возникают вихревые токи, что ведет к выделению теп лоты и нагреву заготовки до требуемой температуры. Частоту тока вы бирают в зависимости от диаметра заготовок: чем больше диаметр заготовки, тем меньше частота применяемого тока. Для питания ин дукционных нагревательных устройств служат машинные, ламповые и тиристорные преобразователи частоты тока.
Рис. 15.13. Схема установки индукционного нагрева
В установках электроконтактного нагрева через заготовку пропус кают электрический ток большой силы (1...40 кА), но малого напряже ния (2...20 В) и за счет сопротивления в заготовке выделяется тепловая энергия. Схема установки электроконтактного нагрева представлена на рис. 15.14.
К нагреваемой заготовке 1 с помощью контактов 2 подключена вторичная обмотка понижающего трансформатора 3. Электроконтактный способ рекомендуется использовать в крупносерийном и
Глава 15. Основы теории обработки металлов давлением |
305 |
I
Рис. 15.14. Схема электроконтактной установки
массовом производстве для нагрева длинномерных заготовок диа метром до 100 мм, имеющих постоянное поперечное сечение по дли не, для которых I >1,5d 1, где / — длина заготовки, d — диаметр заго товки.
20,,
Глава 16
ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
16.1. Волочение
Волочение — процесс обработки давлением, при котором пластиче ская деформация заготовки в холодном состоянии осуществляется за счет ее протягивания через постепенно сужающееся отверстие в ин струменте, называемом волокой, или фильерой. Схема волочения прут ка и трубы и примеры профилей, получаемых волочением, представ лены на рис. 16.1. Волочение труб можно производить без оправки и на оправке, если требуется уменьшить наружный диаметр и толщину стенки. При этом могут применяться оправки, движущиеся вместе с трубой, жесткозакрепленные оправки (рис. 16.1, б) и плавающие, или самоустанавливающиеся. Волочение на оправках позволяет по лучить трубы с высокой точностью размеров и качеством внутренней поверхности. При волочрнии площадь поперечного сечения заготов ки уменьшается, а длина увеличивается. Поэтому количественно де формацию при волочении можно оценить коэффициентом вытяжки ц — отношением полученной длины к исходной или отношением площади исходного поперечного сечения к конечному.
а |
б |
Р
в
1
Рис. 16.1. Схемыволочения прутка (а), трубы (б) и примеры профилей, получаемых волочением (в):
1 —фильера; 2 —заготовка; 3 — оправка
Глава 16. Виды обработки металлов давлением |
307 |
В связи с тем что на выходящем из волоки конце прутка или тру бы пластическая деформация недопустима, величина деформации за один проход ограничена и коэффициент вытяжки не должен пре вышать 1,05...1,5, а сама она осуществляется в холодном состоянии.
При волочении возникает трение между заготовкой и инструмен том, что приводит к увеличению тягового усилия и, соответственно, мощности оборудования. Силы трения можно уменьшить, выбирая оптимальную шероховатость рабочей поверхности фильер, подавая смазку в зону деформации и накладывая ультразвуковые колебания.
Всвязи с низким коэффициентом вытяжки обычно для получения необходимых размеров сечения заготовок процесс волочения повто ряют многократно, а для восстановления пластичности металл, уп рочненный волочением, подвергают промежуточному отжигу после одного-двух переходов.
Внастоящее время применяют волочильные доски со вставными фильерами из инструментальных сталей, твердых сплавов и техниче ских алмазов.
Волочение производят на барабанных и цепных станах. Барабан ные станы (рис. 16.2) служат для волочения проволоки и прутков не большого диаметра. Исходную заготовку в виде бунта 1 укладывают на барабан 2. Предварительно заостренный конец проволоки пропус кают через отверстие в волоке 3 и закрепляют на барабане 4, который приводится во вращение от электродвигателя через редуктор и зубча тую передачу 5. Кроме станов для однократного волочения существу ют станы для многократного волочения. Они имеют до 20 барабанов
сустановленными перед каждым из них волоками.
2 |
3 |
4 |
Рис. 16.2. Схемабарабанного волочильногостана
Цепной волочильный стан (рис. 16.3) состоит из станины /, привод ной звездочки 8, волокодержателя с волокой 3 и звездочки 2. Между звездочками 8 и 2 имеется цепь 7, верхняя ветвь которой движется
308 |
Раздел IV. Обработка металлов давлением |
от волоки к приводной звездочке. Вращение приводной звездочки осуществляется электродвигателями через редуктор. По направляющим станины на катках передвигается тележка 5, снабженная крюком 6для 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 воло чения 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.
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
16.2. Прессование
Прессование — способ обработки металлов давлением, при котором металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие инстру мента, называемого матрицей, в результате чего получают изделие с сечением по форме отверстия матрицы (рис. 16.4).
При прессовании металл подвергается всестороннему неравно мерному сжатию, благодаря чему имеет высокую пластичность. Ко эффициент, характеризующий степень деформации и определяемый как отношение площади сечения заготовки к площади сечения прес суемого профиля, при прессовании составляет 10...50.
Рис. 16.4. Примеры профилей, получаемых прессованием
Глава 16. Виды обработки металлов давлением |
309 |
К недостаткам 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-оста ток, который после окончания прессования отрезается от полученного профиля. При прессовании труб большого диаметра масса пресс-ос татка может достигать 40 % массы исходной заготовки.
Существуют два способа прессования: прямой и обратный.
При прямом прессовании (рис. 16.5, а) заготовку 3 помещают в кон тейнер 4, укрепленный на раме 5 пресса, в отверстие которой устанав ливают матрицу 6. При движении пуансона 1 с пресс-шайбой 2 ме талл заготовки выдавливается через отверстие матрицы 6.
Рис. 16.5. Схемы прямого прессования сплошного (а) и полого (6) профилей и обратного прессования сплошного (в) и полого (г) профилей
При обратном прессовании (рис. 16.5, в) заготовка 3 помещается в глухой контейнер 4и при прессовании остается неподвижной, а де формируемый металл при движении матрицы 6 перемещается на встречу ей. Обратное прессование требует меньших усилий, и остаток металла (пресс-остаток) от прессуемой заготовки меньше, чем при прямом, но техническое выполнение процесса для длинных загото вок проще при прямом прессовании.
Основными причинами образования пресс-остатка являются уско ренное охлаждение поверхности заготовки за счет ее контакта с кон тейнером и наклеп поверхностных слоев в связи с трением о стенки контейнера. Так как при прямом прессовании перемещение поверхно стных слоев заготовки больше, чем при обратном прессовании, то, со