Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

4.2. Классификация процессов обработки металлов давлением и их краткая характеристика

Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходной заготовкой могут быть объемное тело, пруток, лист.

По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:

•для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей обработкой резанием с использованием предварительного пластического формоизменения или без него; основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;

•для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества; основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки можно считать сжатие между плоскостями инструмента, ротационное обжатие вращающимися валками, затекание металла в полость инструмента, выдавливание металла из полости инструмента и волочение, при котором в качестве заготовки может быть использован только пруток

Процессы деформирования листовой заготовки операции листовой штамповки объединяются в две группы: разделительные операции (отрезка, вырубка, пробивка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка и др.).

Сжатие между плоскостями инструмента – осадка, характеризуется свободным пластическим течением металла между поверхностями инструмента (рис. 4.3, а). Схема напряженного состояния – всестороннее неравномерное сжатие из-за наличия сил трения на контакте между инструментом и заготовкой. С уменьшением ко-

92

эффициента трения и увеличением относительной высоты заготовки схема напряженного состояния приближается к линейному сжатию. Однако относительная высота (отношение высоты заготовки к ее меньшему размеру) не может быть меньше предельного значения, равного 2,5 – 3, из-за опасности потери устойчивости и изгиба.

Рис. 4.3. Основные схемы деформирования в обработке металлов давлением

Схема свободного течения металла при сжатии между плоскостями инструмента лежит в основе операций ковки: осадки, протяжки, раскатки и др., а также имеет место во многих способах объемной штамповки.

Ротационное обжатие вращающимися валками (рис. 4.3, б) обусловливается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым последняя перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. Эта схема лежит в основе прокатки; кроме того, она может быть использована в ряде способов получения поковок: поперечно-клиновой прокатке, вальцовке, раскатке.

Затекание металла в полость инструмента (рис. 4.3, в) – схема деформирования, являющаяся сутью объемной штамповки. Металл заготовки заполняет полость специального инструмента – штампа, называемую его ручьем, приобретая его форму и размеры. Течение

93

металла ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа.

Выдавливание металла (рис. 4.3, г) через отверстие заданного сечения в матрице 1 происходит вследствие его сжатия в замкнутой полости, образуемой контейнером 3, матрицей 1 и пуансоном 4, поэтому схема неравномерного всестороннего сжатия реализуется здесь полнее, чем в других процессах. Длина выдавленной части относится к перемещению пуансона 4 как к площади поперечного сечения исходной заготовки 2 и выдавленной части. Чем больше это отношение (так называемая величина вытяжки), тем больше значение суммарного сжимающего напряжения, развиваемого в металле при выдавливании. Схема выдавливания характерна для таких видов обработки металлов давлением, как прессование, горячая и холодная штамповка.

Волочение (рис. 4.3, д) заключается в протягивании заготовки 2 через сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой 1; площадь поперечного сечения уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия волоки, а следовательно, длина (из условия постоянства объема при пластической деформации) увеличивается.

Вследствие того, что к заготовке при волочении приложена тянущая сила, в отверстии волоки (очаге деформации) и после выхода из нее металл испытывает растягивающие напряжения. Но если в очаге деформации, в котором действуют сжимающие напряжения со стороны инструмента, металл пластически деформируется, то на выходящем из волоки прутке пластическая деформация недопустима. В противном случае поперечное сечение прутка изменяется или он разрывается. Поэтому величина деформации за один проход ограничена, отношение площадей поперечного сечения заготовки и деформированной части обычно не превышает 1,5.

4.3. Прокатывание (прокат) металлов

Прокат металлов как технологический процесс. Тех-

нологический процесс прокатки представляет собой комплекс последовательных термомеханических операций, выполняе-

94

мых на соответствующем оборудовании стана и предназначенных для получения полупродукта или готовой продукции.

Наиболее общая схема технологического процесса прокатки включает: 1) подготовку исходного материала к прокатке, 2) нагрев металла перед прокаткой, 3) собственно прокатку, 4) отделку и контроль качества проката.

При подготовке исходного материала к прокатке удаляют поверхностные дефекты: плены, шлаковые включения на слитках или неглубокие трещины, лампасы, закаты, волосовины и другие дефекты. Удаление поверхностных дефектов исходного материала повышает качество поверхности прокатной продукции, увеличивает выход годного и улучшает технико-экономические показатели работы стана.

Поверхностные дефекты удаляют огневой зачисткой, обдиркой на металлорежущих станках, пневматической вырубкой, зачисткой абразивными кругами, электродуговой зачисткой и другими способами термомеханической обработки. В ряде случаев в технологическом потоке обжимных станов устанавливают машины огневой зачистки для удаления дефектов на прокатанном полупродукте, но чаще всего эти операции выполняются в складских помещениях.

Подготовленный исходный материал нагревают в разных нагревательных устройствах с целью уменьшения сопротивления металла деформации, улучшения его структуры и придания достаточной пластичности. Качество нагрева имеет большое значение, так как оно оказывает влияние на производительность стана, качество прокатного металла и величину брака, а также на его макро- и микроструктуру и механические свойства.

Нагретый металл транспортируется к стану для прокатки. Соблюдение режима обжатий и температурного интервала прокатки обеспечивает получение прокатной продукции нужных размеров, формы и качества поверхности.

Отделка проката зависит от его вида, химического состава металла и других факторов. Она включает резку, правку, охлаждение или термическую обработку, удаление дефектов, упаковку и т.д.

При выполнении всех операций осуществляется контроль качества поверхности металла. Нагрева, формы, размеров и т. д. Готовый прокат подвергают конечному техническому контролю.

95

Основные виды прокатки следующие: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Основные виды прокатки:

а – продольная; б – поперечная; в – поперечно-винтовая; 1 – валки; 2 – заготовка; 3 – прошивень на неподвижной оправке

Продольной прокаткой изготовляют около 90 всей прокатываемой продукции. При продольной прокатке (рис. 4.4, а) валки вращаются в разные стороны, а заготовка перемещается перпендикулярно к осям валков, обжимается с уменьшением площади поперечного сечения и увеличением длины.

При поперечной прокатке (рис. 4.4, б) валки с параллельными осями вращаются в одну сторону, приводя во вращательное движение заготовку 2, которая пластически деформируется вдоль валков.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 4.4, в) валки распо-

ложены под углом и, вращаясь в одну сторону, придают заготовке одновременно вращательное и поступательное движения, вследствие чего заготовка втягивается в зазор между валками.

Деформации металла при прокатывании. При прокатке про-

филей, особенно фасонных, металл деформируется неравномерно. Различают неравномерность деформации по ширине, высоте и длине очага деформации. Наиболее часто при прокатке встречается неравномерность деформации по ширине очага деформации. Она может быть вызвана геометрическими факторами – формой калибра или формой полосы (например, плющение проволоки) либо одновременно формой полосы и формой калибра, а также физическими факторами – неоднородностью химического состава метал-

96

ла, неравномерностью температуры нагрева по сечению полосы и т. д.

При неравномерности деформации, например по ширине, различные участки полосы получают неодинаковые (сильные и слабые) обжатия и, следовательно, различную вытяжку. Однако благодаря взаимному влиянию друг на друга сильно и слабо обжимаемых участков и выравнивающего действия внешних частей полоса получает какую-то среднюю вытяжку. В этом случае в сильно обжимаемых участках появляются дополнительные продольные напряжения сжатия, а в слабо обжимаемых – напряжения растяжения; в сильно обжимаемых участках возникают области вынужденного уширения, а в слабо обжимаемых – области вынужденной утяжки и т. д.

Следовательно, при неравномерной деформации происходит вынужденное перераспределение металла в калибре, что приводит к повышенному расходу энергии, преждевременному износу калибров и к другим неблагоприятным явлениям. Все это следует при проектировании калибровки валков. Рационально спроектированной калибровкой валков можно свести неравномерность деформации к минимуму, тем самым повысить стойкость валков, снизить расход энергии и улучшить другие технико-экономические показатели работы стана.

Профилирование листовых валков связано с их упругими деформациями – сплющиванием и прогибом. Это приводит к тому, что прокатанный лист в средней части ширины имеет толщину больше, чем по краям. При горячей прокатке валки разогреваются и также изменяют свой профиль, приобретая некоторую бочкообразность. Поэтому бочке валков придают вогнутый (при горячей прокатке тонких листов) или выпуклый (при холодной прокатке) профиль, который обеспечивал бы получение листа одинаковой толщины по ширине. Вогнутость по середине бочки валка равна

0,15–0,5 мм, а выпуклость 0,2–0,3 мм.

Устройство и классификация прокатных станов. Прокатный стан (рис. 4.5), на котором прокатывают металл, состоит из одной или нескольких рабочих клетей, передаточного механизма и электродвигателя. В рабочей клети располагаются валки. Шейки валков

97

вращаются в подшипниках, устанавливаемых в станине рабочей клети. Для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного положения их осей в верхней части станины имеется нажимное устройство с приводом от индивидуального электродвигателя, регулирующее положение верхнего валка. Крутящийся момент от главного электродвигателя стана через понижающий частоту вращения редуктор передается шестеренной клети, валы главных шестерен которой соединены с концами валков с помощью шпинделей и соединительных муфт.

Рис. 4.5. Устройство прокатного стана:

1 – рабочая клеть; 2 – станина рабочей клети; 3 – прокатные валки; 4 – поперечина; 5 – шарнирное соединение; 6 и 7 – шпиндели;

8 – шестеренная клеть; 9 и 11 – соединительные муфты; 10 – редуктор; 12 – главный электродвигатель

Прокатные станы классифицируют по трем важнейшим признакам: по числу и расположению валков в рабочих клетях; по числу и расположению рабочих клетей; по назначению.

По первому признаку рабочие клети станов подразделяют на дуо, трио, кварто, многовалковые и универсальные.

Клеть дуо (рис. 4.6, а) имеет два валка. Если валки имеют постоянное направление вращения, то клеть называют нереверсивной и прокатка в ней осуществляется только в одну сторону. Такие клети используют для прокатки заготовок, сортового металла и проволоки, а также при горячей и холодной прокатке тонких листов и лент. Если направление вращения валков после каждого прохода заготовки изменяется, то клеть называют реверсивной. В этом случае заготовка прокатывается между валками несколько раз, поочередно то в одну сторону, то в другую сторону. Дуореверсивные

98

клети применяют в блюмингах и слябингах, предназначенных для прокатки крупных слитков, а также в толстолистовых и некоторых других станах.

Рис. 4.6. Типы рабочих клетей станов

Клеть трио (рис. 4.6, б) имеет три валка с постоянным направлением вращения каждого. Все валки такой клети расположены в одной вертикальной плоскости. После прокатки между нижним и средним валками заготовка поднимается подъемно-качающимся столом для прокатки между средним и верхним валками в противоположном направлении. В клетях такого типа прокатывают сортовой металл и листы. В связи с развитием процессов непрерывной прокатки станы с клетями трио все более теряют свое значение.

Клеть кварто (рис. 4.6, в) имеет четыре валка, два из которых, меньшего диаметра, являются рабочими – приводными, а два других – опорными. При прокатке опорные валки воспринимают давление рабочих валков, препятствуя их прогибу, благодаря чему обеспечивается большая точность проката без искажения формы поперечного сечения. Эти клети применяют для горячей прокатки толстых и тонких листов, а также броневых плит. Нереверсивные клети кварто используют в непрерывных станах, а реверсивные – в одноклетьевых станах горячей и холодной прокатки.

Многовалковые плети (рис. 4.6, г) имеют шесть, двенадцать, двадцать и более валков. Рабочие валки в клетях с числом валков двенадцать и более – бесприводные вследствие их малого диаметра (10–50 мм). Рабочие валки опираются на приводные, а приводные – на опорные. Такая конструкция рабочей клети обеспечивает большую жесткость и отсутствие прогиба рабочих валков. Эти клети используют для холодной прокатки широких (200–1000 мм) и тонких листов и лент (фольги) с толщиной менее 0,2 мм.

99

Универсальные клети имеют парные горизонтальные и вертикальные валки. Вертикальные валки создают боковое давление на прокатываемую полосу, ограничивая уширение, возникающее при обжатии в горизонтальных валках. Изменяя расстояние между валками, в такой клети можно получить любой прямоугольный профиль с ровными и чистыми боковыми кромками. Универсальные клети используют в слябингах (рис. 4.6, д), толстолистовых станах и станах для прокатки высоких широкополочных двутавровых ба-

лок (рис. 4.6, е).

По расположению валков различают рабочие клети, в которых валки расположены горизонтально, вертикально, горизонтально и вертикально, косо. По числу рабочих клетей прокатные станы подразделяют на одно- и многоклетьевые. Наиболее совершенные многоклетьевые станы – станы непрерывной и полунепрерывной прокатки. Металл в них движется прямолинейно и прокатывается одновременно во всех или нескольких клетях.

По назначению прокатные станы подразделяют на станы для прокатки заготовок и на станы для выпуска готового проката.

Технология прокатного производства. Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки. Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии. Начинается в горячем состоянии и проводится до определенной толщины заготовки. Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодном виде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячая обработка затруднена).

Прокатка блюмов, слябов и сортового металла. Блюмы и слябы прокатывают из слитков, поступающих с температурой поверхности 800–900 °С из сталеплавильного цеха. Перед прокаткой слитки подогревают до температуры 1300 °С в нагревательных колодцах.

Блюм – заготовка квадратного сечения размером 450×450 – 150×150 мм служит полуфабрикатом, который после прокатки на блюминге режется при передвижении по рольгангу мощными ножницами на мерные куски длиной 2–6 м. Дальнейшая прокатка блю-

100