§ 18.2. Основы технологии производства заготовок методами пластической деформации

Методами пластической деформации получают заго­товки (детали) из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, древесных пластиков, многих керами­ческих материалов, стекла, химических волокон и др. Ши­рокое распространение методов пластической деформа­ции обусловливается их высокой производительностью и обеспечением высокого качества изделий.

Наряду с традиционными методами (прокатка, воло­чение, ковка и др.) применяются новейшие методы (обра­ботка металлов давлением с наложением ультразвука, листовая штамповка с исцользованием взрыва и др.). Отечественной науке принадлежит приоритет создания электрогидравлической штамповки.

Важной задачей технологии является получение заго­товок, приближающихся по форме и размерам к го­товым деталям. Заготовки, получаемые методами пла­стической деформации, имеют минимальные припуски на механическую обработку, а иногда не требуют такой обработки.

На формообразование заготовок из конструкционных материалов влияет пластичность материалов, т. е. спо­собность твердых тел изменять форму под воздействием внешних сил не разрушаясь и сохранять полученную форму после прекращения действия силы. Природная пластичность различных материалов неодинакова. Одни материалы обладают высокой пластичностью в холод­ном состоянии и могут изменять свою форму без предва­рительного нагрева. Другие для повышения пластично­сти нагревают и подвергают пластической деформации в горячем состоянии. Правильный выбор температурного режима при формообразовании методами пластической деформации определяет качество заготовки или изделия. Пластичность зависит также от структуры и химического состава материала.

Для нагрева заготовок применяют нагревательные пе­чи и электронагревательные устройства. По роду источ­ника теплоты печи делятся на пламенные и электриче­ские. По характеру работы пламенные печи делятся на камерные и методические, по методу работы — на перио­дические (нагревательные колодцы, камерные пламенные печи) и непрерывные (методические, кольцевые, кару­сельные и др.)_? по технологическому признаку — на печи обыкновенного, безокислитель­ного и малоокислительного на­грева.

Наибольшее распростране­ние получили камерные пламен­ные печи с рекуператором, мето­дические печи, нагревательные колодцы и электрические печи. В камерных пламенных печах с рекуператором КПД выше, чем в печах без рекупера­торов, так как воздух для горения топлива (жидкого, га­зообразного) подогревается, проходя по каналам, омываемым отходящими газа­ми. Схема работы камерной пламенной печи с реку­ператором показана на рис. 18.10 (1 — рекуператор, 2 — рабочее пространство, 3 — форсунка).

В методических печах заготовки, поступаю­щие в печь, постепенно передвигаются вдоль пода печи навстречу продуктам горения.

Нагревательные колодцы, отапливаемые обычно доменным или коксовым газом, применяют для нагрева больших слитков (в прокатном производстве), которые опускают в отверстие свода, находящееся на уровне рабочей площадки цеха. Извлекают их из колод­цев с помощью кранов с клещевым захватом.

Электрические печи обеспечивают более каче­ственный нагрев, так как здесь заготовки не соприка­саются с продуктами горения, как в пламенных печах, и потери металла от окисления в 4 —5 раз меньше, чем в пламенных печах. Продолжительность нагрева в элек­тропечах по сравнению с нагревом в пламенных сокра­щается в 8 —10 раз.

Основными методами электронагрева являются ин­дукционный, электроконтактный, косвенный — электросо­противлением. При индукционном методе в металличе­ской заготовке, помещенной в индуктор, возникают вихревые токи, которые ее нагревают.

Индуктор — это катушка из витков медной трубки, че­рез которые пропускается переменный ток, вызывающий магнитное поле индукции. Внутри медных трубок цирку­лирует вода, охлаждающая их. Расход электроэнергии при индукционном нагреве 0,4 — 0,5 кВт • ч на 1 кг нагре­ваемого металла. При электроконтактном нагреве заготовку зажимают между медными контактами и пропу­скают через нее ток большой силы. Контактный нагрев целесообразно применять для стальных заготовок диаме­тром менее 60 мм, так как для больших размеров тре­буется ток большой силы. Расход электроэнергии при контактном нагреве 0,35 — 0,45 кВт-ч на 1 кг металла.

В электрических печах сопротивления рабочую камеру огибают нагревательные элементы, изготовленные из ма­териалов с высоким электросопротивлением (например, хромоникелевого сплава марки Х18Н8О и др.). В таких печах можно точно регулировать температуру. Их при­меняют в основном для нагрева сплавов цветных метал­лов, имеющих невысокий температурный интервал пла­стической деформации.

Обработкой металлов давлением, основанной на пла­стической деформации, изготовляют заготовки и изделия массой от нескольких граммов до сотен тонн из метал­лов и сплавов посредством прокатки, волочения, прессо­вания, ковки, штамповки.

Заготовки и изделия из пластмасс, резины и иных не­металлических материалов получают прокаткой, прессо­ванием, экструзией, штамповкой и другими методами.

Пластическое формование используют и для неко­торых керамических и древесностружечных материалов, стекла, кирпича. Например, древесностружечные плиты изготовляют горячим прессованием, стекло прокаты­вают.

Обработка металлов давлением заготовок деталей машин является одним из распространенных и прогрес­сивных способов обработки, так как по сравнению с дру­гими способами обеспечивает меньшие потери металла, высокую производительность, относительно малую тру­доемкость, увеличение прочности металла, широкие воз­можности механизации и автоматизации технологиче­ских процессов.

При обработке металлов давлением вызывается пла­стическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы.

Под пластической понимают такую деформацию, ко­торая не исчезает после того, как снята нагрузка. Общая Деформация, вызванная приложением сил, состоит из пластической и упругой составляющих. Последняя исче­зает после прекращения действия сил.

Пластическая деформация твердых тел происходит за счет смещения атомов по кристаллографическим плоскостям, в которых находится наибольшее количество ато­мов.

В результате искажения кристаллической решет­ки — наклепа при деформации в холодном состоянии — свойства кристалла изменяются: увеличиваются твер­дость, прочность, хрупкость, уменьшаются пластичность, вязкость, коррозионная стойкость и электропроводность.

Для восстановления пластических свойств, устранения наклепа назначают рекристаллизационный отжиг, после которого материал приобретает прежние свойства. При этом материал из неустойчивого состояния наклепа по­степенно переходит в устойчивое, равновесное состояние.

В процессе обработки металлов давлением на заго­товку действуют деформирующие силы прокатных ста­нов, молотов, прессов и другого оборудования или силы, вызванные действием ударных волн (при взрывной штамповке, электрогидравлической формовке).

Рассмотрим сущность процессов обработки металлов давлением.

Прокатка является наиболее распространенным и эко­номичным способом обработки металлов давлением. Бо­лее 80% выплавляемой стали поступает в прокатное про­изводство для изготовления листового проката, труб и других специальных заготовок. Сущность процесса прокатки заключается в деформировании металла (заго­товки) путем обжатия его между вращающимися валка­ми прокатного стана, в результате чего происходит изме­нение формы заготовки (уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается ее длина). Основными метода­ми прокатки являются (рис. 18.11): а — продольная, б — поперечная и в — поперечно-винтовая.

При продольной прокатке (рис. 18.11,а) толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивают­ся. Около 80% всего проката производится с помощью продольной прокатки. Методом поперечной прокат­ки (рис. 18.11,6) можно получать зубчатые колеса, звез­дочки цепных передач и другие специальные и периоди­ческие профили. При поперечно-винтовой прокат­ке (рис. 18. И, в) оси валков располагают под некоторым углом, что обеспечивает вращающейся заготовке переме­щение вдоль своей оси. Поперечно-винтовую прокатку применяют для получения бесшовных труб, осей, шаров и других изделий.

Прокатные изделия в СССР стандартизованы. Пере­чень прокатываемых изделий с указанием формы профилей и их размеров называется сортаментом проката.

В зависимости от вида различают сортовой, листовой, трубный и специальный прокат. Некоторые профили сор­тового проката показаны на рис. 18.12 (1 — квадратный, 2 — круглый, 3 — полосовой, 4 — угловой, 5 — двута­вровый, 6 — швеллерный, 7 — тавровый, 8 — рельсы, 9 — зетовая сталь).

В последние годы получило распространение изгото­вление экономичных профилей проката. Выпускают пе­риодические профили проката, из которых изготовляют изделия с изменяющимися по длине сечениями (рычаги, шатуны, заготовки для распределительных валов и др.).

Прокатные станы классифицируют по назначению, количеству валков в рабочей клети, количеству клетей и схеме их расположения. По назначению прокатные станы можно разделить на обжимные, листовые, со­ртовые, трубопрокатные и специальные, по количеству валков (рис. 18.13): а - на двух- (дуо), б - трех- (трио),

- четырех- (кварто) и г — многовалковые. По количе­ству рабочих клетей станы подразделяют на одно- и многоклетьевые.

Самые мощные обжимные станы — блюминги и сля­бинги. Блюминг — двухвалковый обжимной стан, на кото­ром прокатывают слитки массой 5—15 т в квадратные заготовки — блюмы сечением от 150 х 150 до 450 х 450 мм. Слябинг — заготовочный стан, на котором слитки массой 7 — 25 т прокатываются в полосы — слябы толщи­ной 125-225 мм.

Особое место занимает прокатка труб. Для изгото­вления бесшовной трубы цилиндрическую заготовку 1 (рис. 18.14,а) нагревают до 1200—1300°С и прошивают в гильзу, которую раскатывают в трубу. Отдельные на­гретые куски трубы снова раскатывают, калибруют в го­рячем и холодном виде.

Методом прокатки получают также сварные (шовные) трубы. Исходным материалом для получения трубы слу­жит прокатная заготовка — штрипс 2 (рис. 18.14,6), кото­рую нагревают в печи до 1300—1400°С и передают на стан, где она формируется в трубу.

В СССР внедрены в производство специальные станы для прокатки бандажей, зубчатых колес, вагонных осей и других изделий, обеспечивающие экономию металла за счет уменьшения отходов в стружку, снижение трудоем­кости изготовления изделий, повышение производитель­ности труда. Одной из прогрессивных форм является прокатка с минусовыми допусками.

Производительность блюмингов и слябингов — 6—10 млн. т в год, рельсобалочных станов — 2 — 2,5 млн. т, про­волочных станов — 0,8 млн. т и т. д.

Технико-экономическими показателями прокатки являются производительность прокатных станов, выход годного — готового проката (85 — 87% от полученного), расход электроэнергии и топлива, воды, пара и пр.

Волочение. Сущность процесса волочения заключается в том, что обрабатываемый металл протягивается через отверстие волочильной доски 1 волочильного стана (рис. 18.15, я), получая форму и размеры этого отверстия. Наи­большее распространение имеют волочильные доски 2 со вставными глазками-фильерами 3, изготовляемыми из твердых сплавов. Для волочения медной и вольфра­мовой проволоки очень маленького диаметра иногда применяют алмазные фильеры.

Исходным материалом дня волочения служит ка­таный и прессованный металл. Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм и менее, калибро­ванные валки, прутки различного профиля. Волочение применяют также для уменьшения диаметров труб.

Для получения тонкой проволоки требуется последо­вательное протягивание исходного материала через не­сколько отверстий (от 4 до 12), которое называют многократным (рис. 18.15,6).

Волочение выполняют в холодном состоянии и для устранения наклепа проводят отжиг. При многократном волочении отжиг повторяют несколько раз. Поверхность металла очищают от окалины травлением в 10-25%-ном растворе серной кислоты при 30 — 60 °С, с последующей промывкой и сушкой.

Волочение обеспечивает получение точных размеров заготовок, высокого качества их поверхности, весьма тонких профилей, в том числе тонкостенных труб, а так­же различных фасонных прутков.

Прессование. При прессовании нагретый металл выда­вливается из замкнутого пространства контейнера через отверстие в матрице. Исходным материалом при прессо­вании стали являются прокатанные заготовки, а для из­делий из цветных металлов и их сплавов — слитки. Прес­сование осуществляют двумя способами: прямым и обратным.

При прямом методе прессования (рис. 18.16, а) под действием давления плунжер 1 через пуансон 2 и пресс-шайбу 3 выдавливает металл 4 из контейнера 5 в отвер­стие матрицы 6. При обратном методе (рис. 18.16,6) под­вижная матрица 1 давит на заготовку 2, металл 3 которой выдавливается через отверстие матрицы. Кон­струкция пресса для обратного прессования более слож­ная, чем для прямого, но при данном методе требуется меньшая сила прессования. Количество отходов металла в этом процессе также меньше.

Методом прессования получают прутки различного профиля и размеров (5 — 200 мм), трубы с внутренним диаметром до 80 мм. Процесс прессования по сравне­нию с прокаткой обеспечивает более точные размеры из­делий и большую производительность. Поэтому сложные профили заготовок указанных выше размеров экономически целесообразно получать методом прессо­вания.

Ковка. Различают два вида ковки: свободную ковку и ковку в штампах — штамповку. Исходным материалом при свободной ковке и штамповке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл. [Изделие, полученное ковкой, называют поковкой. Большие поковки получают из кузнечных слитков, средние и малых разме­ров — из проката и прессованного металла.

Под свободной ковкой понимают пластиче­скую деформацию нагретого металла с помощью бойков молота или пресса (при этом течение металла не ограничивается заранее изготовленными формами).

Границы температур, при которых металл становится наиболее пластичным, обладает минимальным сопротивлением де­формированию и в то же время не допускающие пережо­га металла, называют температурным интервалом ковки, (для углеродистых сталей он находится в пределах 750— 1300°С). Методы свободной ковки применяют в еди­ничном и мелкосерийном производствах для получения поковок любой массы Операциями свободной ковки являются (рис. 18.17): а — осадка, б — протяжка, в — гиб­ка, г — прошивка отверстий, д — рубка.

Ковку выполняют на молотах или прессах. Ковочные молоты по роду привода подразделяются на пневматические и паровоздушные. Основной характери­стикой молота является масса падающих частей. Масса падающих частей пневматических молотов (рис. 18.18, а) от 75 до 1000 кг. Число ударов молота 70—190 в минуту.

Паровоздушные молоты приводятся в действие энер­гией сжатого воздуха или пара давлением 0,4 — 0,8 МПа (4 — 8 атм). Масса падающих частей до 6 т. На рис. 18.18,6 представлена схема двухстоечного паровоздуш­ного молота.

Для свободной ковки применяют также гидравличе­ские и парогидравлические прессы. На рис. 18.19 показана схема гидравлического пресса, который работает за счет давления жидкости, подаваемой в рабочий цилиндр 7, плунжер 5 которого связан с траверсой 3. При перемеще­нии плунжера 5 под давлением жидкости вниз верхний боек 4 будет деформировать заготовку. Подъем траверсы вверх осуществляется небольшими возвратными цилин­драми 2.

Рабочая сила в гидравлических прессах 100—150 МН и более.

Парогидравлические прессы отличаются от гидравли­ческих наличием усилителя давления (мультипликатора). Парогидравлические прессы могут развивать силу до 750 М№

Штамповка. При штамповке металл деформируется в заранее изготовленных формах — штампах. Поэтому при штамповке получают более точную и чистую заготовку, чем при свободной ковке.

Штамповку экономически целесообразно применять в серийном и массовом производствах, так как штампы • являются дорогим инструментом. Каждый штамп предназначен только для получения определенного типа заго­товок.

Штамповка в зависимости от исходной заготовки подразделяется на объемную и листовую и может выпол­няться в горячем или холодном состоянии. Для объем­ной штамповки исходным материалом служат прут­ки или штучные заготовки. Штампы для горячей объемной штамповки состоят из двух частей — верхней и нижней. Полости штампов называют ручьями. Одноручьевые штампы (рис. 18.20) применяют для изготовле­ния простых поковок. В многоручьевых штампах имеется ряд последовательно расположенных ручьев, в которых производят заготовительные и штамповочные операции. Прогрессивным процессом горячей объемной штамповки является безоблойная штамповка, т. е. штамповка в за­крытых штампах без образования облоя, что дает воз­можность значительно экономить металл. Кроме того, отпадает надобность в обрезных штампах и прессах.

Горячую объемную штамповку выполняют на паро­воздушных штамповочных молотах, горизонтально-ко­вочных машинах (ГКМ) и кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП). На рис. 18.21, а-в показана схема штамповки кольца на горизонтально-ковочной ма­шине (ГКМ). В первом ручье (рис. 18.21, а) производится высадка наружного контура кольца, во втором ручье (рис. 18.21, б) — прошивка отверстия. Готовая поковка по­казана на рис. 18.21, в. Горизонтально-ковочные машины могут развивать силу 0,5-30 МН. По сравнению с дру­гими кузнечно-прессовыми машинами ГКМ являются более производительными и обеспечивают более высо­кую точность заготовки. Кривошипные прессы раз­вивают силу 5-80 МН; число ходов в минуту от 35 до 90.

Одним из распространенных методов объемной штамповки является холодная высадка, посредством которой изготовляют винты, болты и другие заготовки диаметром не более 25 мм на высокопроизводи­тельных высадочных автоматах.

Листовая штамповка является прогрессивным методом обработки металлов давлением, характеризую­щимся высокой производительностью, простотой техно­логического процесса, точностью получаемых размеров и низкой себестоимостью. Исходным материалом для нее служат листы, ленты, полосы. Для изготовления из­делий толщиной свыше 8 мм применяют горячую листо­вую штамповку.

Основные операции листовой штамповки (рис. 18.22): а — вырубка по контуру, б — пробивка отверстий, в — отрезка, г — вытяжка, д — отбортовка.

Холодной вытяжкой получают полую пространствен­ную деталь из листовой заготовки.

В промышленности применяют процессы штамповки с использованием взрывчатых (бризантных) веществ, а также электрогидравлическую штамповку. Сущность процесса листовой штамповки взрывом (рис. 18.23) заключается в следующем. В емкость 1₉ наполненную водой, устанавливают матрицу 2, на кото­рую накладывают и надежно закрепляют листовую заго­товку 3. На некотором расстоянии от заготовки поме­щается заряд взрывчатого вещества 4. При взрыве энергия ударной волны передается через несжимаемую среду и деформирует заготовку, придавая ей форму ма­трицы. Этот метод отличается простотой, высокой эф­фективностью и отсутствием применения штамповочного оборудования.

Электрогидравлическая штамповка (рис. 18.24) является перспективным способом обработки; давлением, осуществляемым ударными волнами при вы­соковольтном разряде в замкнутом объеме жидкости 1| который происходит между погруженными в воду электродами 2. Заготовка устанавливается между деформирующими матрицами 3. Электрогидравлической штамповкой можно получать изделия из труднодеформируемых материалов.