Обработка металлов давлением

Сущность обработки металла давлением состоит в целенаправленной пластической деформации, придающей ему опре­деленные форму и размеры без разрушения или с разрушением, в ходе которой измельчается грубозернистая литая структура, устраняются пористость и рыхлость, улучшается металлургическое качество и создается благоприятная ориентировка вновь образовавшихся структурных составляющих ме­талла.

Вследствие благоприятных структурных изменений, происходя­щих при обработке давлением, металл получает более высокий ком­плекс прочностных и пластических свойств по сравнению с литым. При горячей обработке давлением, когда металл обладает большой пластичностью при малой прочности, его зерна вытягиваются итрансфор­мируются в волокна.

Волокнистое строение металла обеспечивает важные преимущества по сравнению с обычной зернистой струк­турой, поскольку прочность деформи­рованного металла на разрыв вдоль волокон оказывается значительно выше, чем в поперечном направлении.

То же можно сказать и о сопротив­лении срезающим нагрузкам: прочность на срез поперек волокон значительно выше, чем вдоль них. Зная характер нагружения отдельных элементов деталей в эксплуатационных условиях, можно еще при изготовлении заготовок придавать волокнам наивыгоднейшую ориентировку, отвечаю­щую характеру нагружения соответствующих элементов деталей, и этим обеспечивать большой запас прочности деталей. Например, показанное на рис. 4.25, а изготовление зубчатого колеса из прутка где растягивающие напряжения, возникающие при изгибу зуба направлены поперек волокон, а следовательно прочность зубьев будет пониженной. Изготовленное зубчатое колесо осадкой рис. 4.25, б из отрезка прутка круглого сечения волокна получаются радиального направления. В этом случае все зубья будут равнопрочны, а растягивающие напряжения, возникающие в зубьях при изгибе направлены вдоль волокон. При этом возрастает не только прочность зубьев, но и увеличивается износостойкость.

Рис 4.25. Схемы макроструктуры зубчатых колес, изготовленных различными способами.

Заготовки для деталей, полученные обработкой давлением, при­нято называть поковками. Исходными заготовками для крупных поковок, как правило, служат стальные слитки. Заготовки для мелких поковок получают путем разрезки на мерные заготовки-болванки из которых получают профили – металлические балки или прутки различной формы поперечного сечения, получаемых прокаткой.

4.3.1. Прокатка. Прокатка представляет собой процесс пластической деформации слитка или иной продолговатой металлической заготовки между двумя вращающимися валками, расстояние между рабочими поверхностями которых меньше высоты заготовки. Целью прокатки является получение разнообразной продукции, разли­чающейся профилями и размерами поперечного сечения, а также балок, прутков и составляющей, так называемый сортамент проката. Сортамент стального проката включает (рис. 4.26):

Рис. 4.26. Профили сортового проката (а) и периодического профиля (б).

сортовой прокат простого и фасонного профиля. Простой про­филь используется для порезки на заготовки, которые идут либо на дальнейшую обработку давлением – ковку или штам­повку, либо на механическую обработку для изготовления различ­ных деталей. Фасонный профиль (рис. 4.26, а)главным образом используется для различных строительных конструкций, включая железнодорожные пути;

периодический прокат (рис. 4.26, б) – прокат с периодически изменяющимся по длине профилем. Он используется в качестве заготовок для штамповки (например, заготовок шатунов автомо­бильных двигателей) или непосредственно для механической об­работки.

специальный прокат включает в себя вагонные колеса, шпун­товые сваи, автоободья и т.д.;

трубы бесшовные различного диаметра с разной толщиной сте­нок, разнообразного назначения;

листовой прокат делится на толстолистовую сталь толщиной свыше 4 мм и тонколистовую 0,2-3,75 мм;

Существуют также специально разработанные сортаменты для выпуска проката из цветных металлов и сплавов – меди, алюминия, латуни, дюраля в виде листов, ленты, труб, прутков и других изделий. Важнейшей особенностью деформации металла при про­катке является получение волокнистой структуры металла с ориентировкой волокон вдоль направления прокатки, т. е. перпенди­кулярно осям вращения валков.

Это объясняется тем, что при сдавливании сечения заготовки между валками вытяжка металла в основном происходит в направ­лении наименьшего сопротивления, т. е. при выходе из валков. Де­формации и вытяжке в поперечном направлении препятствуют тре­ние о поверхности валков. Так как общая вытяжка металла заго­товки складывается из вытяжек его отдельных зерен, то последние должны превратиться в волокна. Заготовка захватывается в ра­бочее пространство между валками и перемещается силами трения, возникающими между нею и валками (рис. 4.27).

Действительно, при подходе заготовки к валкам в точках пер­вичного контакта возникают, с одной стороны, радиально ориенти­рованные активные Р и равные им реактивные (действующие на заготовку) N силы, а с другой — силы трения Т, касательные к поверхности валков в точках упомянутого контакта. Каждая из сил трения равна произведению нормальной силы Nна коэффициент трения f, т. е. Т = Nf. Рассмотрим проекции сил N и Т на продольное (горизонтальное) направление X и вертикальное – Z. При этом заметим, что силы N_x выталкивают заготов­ку из рабочего пространства, а силы Т_х – втягивают в него заготовку. Условием захвата заготовки валками и осу­ществления прокатки будет неравенство Т_х > N_х. Но так как Т_х· cos α=Nf · cosα, а N_x=N· sinα, то условием прокатки будет Nf cos α > N sinα. Разделив обе части неравенства на N cosα, получим f >tgα, где α – угол захвата.

Таким образом, условием захвата заготовки валками и осущест­вление процесса прокатки является превышение коэффициента трения над тангенсом угла захвата.

Прокатка металлов осуществляется на прокатных станах (рис. 4.28, г).

Основными рабочими элементами прокатных станов являются валки, имеющие цилиндрическую форму. Валки размещаются в основной части прокатного стана – рабочей клети 4. Рабочая часть валка (рис. 4.28, а) на­зывается бочкой 1. Опорная часть валка шейка 2, соединительная – треф 3. Бочки могут быть гладкими или ручьевыми (рис. 4.28, а и 4.28, б). Пер­вые применяются для прокатки листов и лент, а вторые – для сор­тового металла. Ручьи представляют собой кольцевые вырезы на поверхности валка. Совпадающие ручьи верхнего и нижнего вал­ков образуют калибры, с помощью которых сортовому прокату по­степенно придаются требуемые профили (рис. 4.26, а, б).

Рис. 4.28. Инструмент и оборудование прокатки: а) гладкий волок: 1 – бочка валка; 2 – шейка; 3 – треф; б) ручьевой валок; в) открытый и закрытый калибры; г) схема прокатного стана: 4 – рабочая клеть; 5 – шпиндель; 6 – шестерная клеть; 7 – редуктор; 8 – электродвигатель.

Прокатные станы классифицируются по ряду признаков, ос­новным из которых является род выпускаемой продукции. В связи с этим можно выделить следующие наиболее распространенные виды станов: для получения полупродукта из слитков блюмов и слябов; заготовительные; сортопрокатные для выпуска из блюмов сортового проката; из слябом листо­вые и полосовые станы горячей прокатки; трубопрокатные станы; станы холодной прокатки стали и цветных металлов (тонколисто­вые, лентопрокатные, фольгопрокатные и т.д.); деталепрокатные станы для выпуска специального или периодического проката.

Холодная прокатка ленты из алюминиевых сплавов АМц, Д, Д16 производится из горячекатаных листов толщиной около 6мм. Ленту толщиной до 0,5-0,6мм катают без промежуточного умяг­чающего отжига. Заготовками для холодной прокатки лент из меди и латуни Л62 служат свернутые в рулоны полосы толщиной 5-6мм, полученные горячей прокаткой из слитков. Отожженные и протрав­ленные рулоны прокатываются на специальных станах до толщи­ны 0,01-0,2мм в течение четырех-пяти операций холодной прокат­ки, чередующихся умягчающими отжигами и травлением для уда­ления окалины.

Тонкие листы и ленту из меди или латуни получают холодной прокатной из горячекатаных заготовок толщиной 10-15мм с предварительно удаленными фрезерованием поверхностными де­фектами. Прокатку ведут до требуемой толщины в несколько обжа­тий, применяя промежуточные отжиги при 450-800°С для восста­новления пластичности металла.

Для холодной прокатки предпочтительнее однофазные латуни с содержанием цинка менее 30%, как обладающие большим запа­сом пластичности. Для предотвращения налипания меди и латуни на стальные валки применяют жидкую смазку (трансформаторное масло, керосин, веретенное масло и т. д).

4.3.2. Ковка и штамповка. При ковке деформирование металла заго­товки осуществляется путем целенаправленно наносимых ударов или нажатий. В зависимости от используемого оборудования ковка делится на свободную и ковку в штампах (штамповку).

Сущность свободной ковки заключается в том, что происходящая формообразую­щая пластическая деформация металла осуществляется специальным инструментом. Придание заготовке требуемых формы и размеров осуществляется за счет выполнения ряда ковочных опера­ций.

Горячая объемная штамповка. При штамповке требуемые формы и размеры заготовки получают­ся в результате принудительной деформации металла в ручье спе­циального приспособления - штампа (рис. 4.29). Различают объемную штамповку в открытых и закрытых штампах. В открытом штампе (рис. 4.29, а) по периферии ручьяна стыке нижней 1 и верхней 2 частей штампа выполняется заусенечная канавка 3 для выхода избыточного метал­ла, образующего удаляемый после штамповки заусенец, а в закрытом штампе (рис. 4.29, б, в) нет заусенечной канавки для выхода металла.

Рис. 4.29. Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах.

Несложные заготовки штампуются в одноручьевых штампах, а сложные - в многоручьевых, в которых при переходе от ручья к ручью поковка постепенно приобретает требуемые размеры и форму. Исходные заготовки для штамповки отрезаются от сорто­вого проката. Ими могут служить изделия периодического проката. Перед штамповкой металл нагревается до определенной температуры, зависящей от рода металла с целью повышения, его пластичности и уменьшения усилий при обработке. Свободная ковка и штампов­ка производятся с помощью специальных ковочных или штамповоч­ных молотов и прессов.

Вследствие интенсивной теплоотдачи в атмосферу и теплопере­дачи в стенки ручья штампа происходит быстрое охлаждение за­готовки, что приводит к наклепу и охрупчиванию ее металла. Во избежание образования трещин это требует дополнительных проме­жуточных нагревов цветных заготовок. При штамповке латуни сле­дует иметь в виду, что при температуре выше 680°С из нее интенсив­но возгоняется цинк в виде порошка ZnO. Это влечет изменение се химического состава и прочностных характеристик. Следует так­же учитывать, что при горячей штамповке латуни более хрупкая при комнатной температуре β-фаза оказывается пластичнее α-фазы. Поэтому для горячей штамповки однофазных латуней следует выбирать марки с предельным для α-латуней содержанием цинка - до 39%. После нагрева в результате α→β -превращения их струк­тура состоит из α+β - или только β -зерен и имеет более высокую пластичность, чем у латуней с меньшим содержанием пинка, не претерпевающих α→β -превращений.

Ковка и штамповка дюралюминия производится при температу­ре около 380°С со степенями деформации соответственно 3-5 и 2-3%.

С целью экономии металла при обработке давлением осваивают­ся и внедряются более рациональные ее виды.

Так, в прокатном производстве применяются так называемые облегченные, тонкостенные, сложные, фасонные и другие эконо­мичные профили проката. Прокаткой получаются экономичные про­фильные заготовки и изделия: шары, валы, зубчатые колеса, свер­ла, винты, различные виды периодического проката (для экономии металла при штамповке). Для производства машиностроительных профилей применяют еще методы прессования, волочения, а из листового материала получают изделия вырубкой, вытяжкой, формовкой, а прокаткой – гнутые профили.