4.3. Основы технологии обработки металлов давлением

Различные технологические процессы получения заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий из черных и цветных металлов путем деформирования в холодном и горячем состоянии называют «обработкой металлов давлением». Деформация – это процесс изменения формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую).

Перед горячей обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка) чистые металлы нагревают до температуры 0,4 Тпл, а сплавы – 0,5–0,8 Тпл (начало горячей обработки давлением). Это приводит к уменьшению сопротивления пластической деформации металла в 10–20 раз. Область температур между началом и окончанием обработки называют температурным интервалом горячей обработки давлением. Нагрев заготовок осуществляется в нагревательных печах, которые делятся на пламенные (теплота образуется от сгорания топлива) и электрические. После нагрева до определенной температуры заготовки подаются для обработки.

Прокатку, волочение и прессование обычно производят на металлургических заводах, а остальные способы обработки давлением на машиностроительных заводах. Большинство процессов обработки давлением отличаются высокой производительностью при небольших отходах металлов.

Основными процессами обработки металлов давлением являются прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка объемная и листовая, схемы которых представлены на рис. 4.1.

в

б

е

г

д

Рис. 4.1. Процессы обработки металлов давлением

а – прокатка; б – волочение; в – прессование; г – ковка; д – штамповка объемная ; е – листовая

Прокатное производство. Сущность прокатки заключается в деформировании металла между вращающимися валками, зазор между которыми меньше толщины обжимаемой заготовки (рис. 4.1а). В результате обжатия толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивается. Относительное обжатие заготовки за один проход не превышает даже для горячего металла 70–80 %, поэтому окончательный профиль продукта получается многократным повторением обработки заготовки при постепенном уменьшении зазора между валками.

Технологический процесс прокатного производства состоит из следующих этапов:

- подготовка исходного материала;

- нагрев металла (в случае горячей прокатки);

- прокатка;

- отделка.

Первичными заготовками являются слитки. Слитки проверяют и обнаруженные трещины, шлаковые включения удаляют зачисткой и заваркой. Затем слитки нагревают до температуры прокатки в нагревательных колодцах. Из слитков массой до 25 т на обжимных прокатных станах получают полуфабрикат: блюмы (квадратное сечение), слябы (прямоугольное сечение) и заготовки круглого сечения диаметром до 200 мм, которые разрезаются на заготовки нужной длины и подаются на заготовочный стан для дальнейшей обработки. Блюмы используются для изготовления сортового проката, из слябов получают лист и полосы. Обычно обжимные и заготовочные станы располагаются рядом, что позволяет вести прокатку с однократным нагревом металла. На заготовочных станах продукция первичной прокатки подвергается обжатию и получаютcя заготовки меньшего сечения и большей длины, которые служат полуфабрикатом для станов окончательной прокатки (листовых, трубных, сортопрокатных и др.).

Вся продукция прокатного производства подвергается отделочным операциям (разрезанию, правке, устранению поверхностных дефектов).

Сортамент проката. Продукция прокатного производства называется прокат. Он различается по размерам и форме сечения (профилю). Сортамент проката – это совокупность профилей с различными размерами и формой.

Сортамент проката делится на 5 групп:

1) сортовой прокат: простой (круг, квадрат, шестигранник и т. д.) и фасонный (угловая сталь, швеллер, двутавр, рельс и т. д.).

2) листовой прокат – толстолистовой (броневая, котельная, резервуарная), тонколистовой (кровельная, трансформаторная, электротехническая сталь, жесть и т. д.) и фольга;

3) трубы бесшовные (цельнотянутые) и сварные;

4) прокат периодического профиля, представляющий собой полосу или пруток, поперечное сечение которых изменяется по длине проката. Применяется в качестве фасонных заготовок в кузнечном производстве и заготовок под окончательную механическую обработку, что значительно снижает объем работ и отходы металла в стружку;

5) специальный прокат, в том числе гнутые профили, изготавливается по спецзаказам министерств (накладки и подкладки для pельсов, башмак гусеницы трактора и т. д.).

В последние годы большое развитие получило производство гнутых профилей из холодно- и горячекатаных полос и лент, которые применяются в автотракторной, авиационной промышленности и в строительстве. Они изготавливаются на специальных роликогибочных машинах и поставляются в виде отдельных заготовок или бухт ленты определенного профиля. Сортамент гнутых профилей превышает 400 разновидностей.

Волочение – процесс обжатия металла при протаскивании заготовки через волоку – инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки (рис. 4.1б). Процесс волочения осуществляется в холодном состоянии и используется для получения тонкой проволоки (от 0,002 до 5 мм), калиброванных прутков различного профиля и тонкостенных труб, при этом получаются изделия точных размеров, заданной геометрической формы, с чистой и гладкой поверхностью. Технологический процесс волочения включает термообработку заготовок (обычно отжиг), травление заготовок для удаления окалины, нанесение смазки для уменьшения усилий протягивания и термообработку после окончательного волочения.

Волочильный инструмент изготавливают из чугуна, инструментальной стали, твердых сплавов, а для получения проволоки диаметром менее 1,2 мм применяют волоки из естественного алмаза.

Свободная ковка – способ горячей обработки металлов давлением, при котором заготовке придается заданная форма при ударах бойка молота или нажатии бойка пресса. Исходными заготовками при свободной ковке являются слитки или прокат (круглый, квадратный, прямоугольный), а полученные изделия называются поковками. Как правило, поковка служит исходной заготовкой для дальнейшей механической обработки.

Различают ручную и машинную свободную ковку. Ручная ковка производится на наковальне с помощью кувалды и различного вспомогательного инструмента и применяется при ремонтных работах, для получения мелких штучных поковок.

Машинная ковка, осуществляется на кузнечнопрессовых машинах с помощью бойков, обжимок и других инструментов и позволяет получать поковки массой до 250 т. Основным оборудованием при свободной ковке являются ковочные молоты с массой падающих частей от 0,5 до 16 т и ковочные прессы с усилием 5–150 МН. Мелкие и средние поковки (до 2 т) обычно получают на молотах, а тяжелые – на прессax. Поковки, изготавливаемые на прессах, отличаются большей точностью размеров и более высокими механическими свойствами. При работе на прессах снижается шум, вибрация и т. д. Замена молотов прессами – одно из направлений технического процесса в кузнечном производстве.

Свободная ковка включает операции по предварительной обработке заготовки, формообразованию и окончательной отделке изделия. Предварительные операции – разрезание проката или слитка на заготовки, соответствующие массе и объему будущей поковки с учетом потерь металла (на угар, обсечку), а также нагрев заготовок по необходимому режиму.

К основным формообразующим операциям относятся: осадка, высадка, вытяжка, раскатка, гибка, кручение, рубка, прошивка. Выбор кузнечных формообразующих операций и их последовательность производится в зависимости от необходимой формы поковки. Окончательными операциями являются: охлаждение поковок, очистка их от окалины, термообработка. Процесс свободной ковки трудоемок и малопроизводителен, а сами поковки имеют малую точность и большую шероховатость поверхностей.

Горячая объемная штамповка – способ обработки металлов давлением, при котором изделию (поковке) придается необходимая форма при помощи специального инструмента – штампа. При объемной штамповке металл деформируется одновременно по всему объему, а течение его происходит в полости штампа, очертания и размеры которой соответствуют будущей детали. Штампы – это массивные стальные формы, состоящие из двух частей, внутри которых имеются полости (ручьи). Верхняя часть штампа закрепляется на подвижной части кузнечной машины (молот, пресс), нижняя – на неподвижной (рис. 4.1д).

Листовая штамповка – процесс получения изделий или заготовок из листового материала путем деформирования его на прессах с помощью штампов (рис. 4.1е). В зависимости от толщины обрабатываемого листового материала листовую штамповку делят на толстолистовую (толщина листа болee 10 мм) и тонколистовую. Толстолистовую штамповку обычно осуществляют в горячем состоянии. Тонкостенные изделия разнообразной формы получают из листа, ленты или полосы в холодном состоянии.