Определение усилия прессования

По характеру силовых и деформационных условий процесс прессования можно разделить на четыре периода (Рисунок 38):

1. распрессовка слитка в контейнере и заполнение металлом всего объема контейнера и очага деформации матрицы;

2. начальная стадия прессования;

3. течение основной массы металла из матрицы;

4. течение захоложенной части слитка.

Соответственно полное усилие пресса состоит из четырех составляющих, которые преодолевает гидроцилиндр:

, (38)

где – усилие для осуществления деформации;

– усилие для преодоления сил трения слитка о боковые стенки контейнера;

– усилие для преодоления сил трения в боковых поверхностях очага деформации в матрице;

– усилие для преодоления сил трения в калибрующем пояске.

Рисунок 38 - Типичный график усилия прессования.

Составляющие полного усилия определяются по формулам И.Л.Перлина:

а) для сплошного профиля:

, (39)

где – вытяжка;

– допустимая вытяжка;

– угол наклона образующей матрицы к ее оси (Рисунок 39);

– диаметр контейнера;

– сопротивление деформации.

, (40)

где – длина распрессованной заготовки;

, (41)

где - площадь сечения контейнера;

- площадь сечения изделия.

, (42)

где - поперечное сечение элемента контура;

- средняя толщина стенок элементов профиля.

Рисунок 39 - Схема матрицы.

, (43)

где – диаметр контейнера;

– высота очага деформации;

– коэффициент трения в контейнере;

; (44)

где – коэффициент трения в матрице;

, (45)

где – длина калибрующего пояска;

– площадь поверхности калибрующего пояска.

– коэффициент трения пояска;

б) для трубы

, (46)

где – наружный диаметр трубы;

– внутренний диаметр трубы;

где – коэффициент трения матрицы;

, (47)

где – коэффициент трения матрицы;

, (48)

где – коэффициент трения пояска.

Вопросы и темы для самоконтроля:

1. Основные способы прессования металлов.

2. Виды очага деформации при прессовании.

3. Основные узлы гидравлического пресса.

4. Что такое контейнер, пресс-штемпель, пресс-шайба, их назначение.

5. Виды матриц, игл.

6. Как определяется вытяжка при прессовании?

7. Основные факторы, определяющие усилие прессования.

Волочение металлов

Обработка металлов волочением осуществляется протягиванием прутка через отверстие, размеры которого меньше начального размера прутка. Волочение применяют для производства проволоки диаметром от 0,002÷10 мм, стальных прутков диаметром до 500 мм, труб диаметром от 0,002¸400 мм, фасонных профилей и т.д. Волочение чаще всего выполняют при комнатной температуре, когда пластическая деформация сопровождается наклепом и наличием трения скольжения по всей контактной поверхности. В любом слое, находящемся на некотором расстоянии от центрального кроме деформации растяжения, происходит сдвиг и изгиб, причем, чем дальше слой от оси протягиваемого прутка тем больше сдвиг и изгиб. За счет сил трения на поверхности прутка, создается задерживание поверхностных слоев, что приводит к разности скоростей частиц металла по сечению.

Возможность протягивания прутка через отверстие волоки ограничивается предельными условиями: усилие волочения не должно создавать напряжения в передней части прутка, превышающие предел текучести, что может привести к остаточным деформациям, разрыву. По этой причине волочение горячего металла практически не применяется.

Установлено, что до 80% общего усилия волочение расходуется на преодоление сил трения. Это ограничивает практическое значение единичной вытяжки m до 1,5. Контактные силы трения повышают среднюю температуру проволоки до 250°, а температуру контактной поверхности до 700°. Это создает условия повышенного износа инструмента, налипания металла на контактную поверхность волоки, увеличивает обрывы проволоки.

Для уменьшения сил трения используют смазку. Для увеличения вытяжки прикладывают противонатяжение к заднему концу прутка, что снижает сопротивление металла деформированию, уменьшает влияние контактного трения.

Положительные влияния на силовые условия волочения показало приложение ультразвуковых колебаний и высокочастотных низковольтных импульсов к волочильному инструменту.

При волочении полых изделий наблюдается много общего с обработкой волочением цельных прутков.

Волочение труб может выполняется четырьмя способами (Рисунок 40):

- без оправки;

- на короткой оправке;

- на длинной оправке;

- на плавающей оправке.

Рисунок 40 - Способы волочения труб: а – на короткой оправке; б – без оправки; в – на длинной оправке; г – на плавающей оправке.

При волочении без оправки наблюдается уменьшение наружного и внутреннего диаметров трубы, при этом стенка трубы может сохраняться неизменной, утончаться или утолщаться в зависимости от формы очага деформации. При волочении на оправке всегда происходит уменьшение стенки трубы.

Волочение на плавающей оправке широко применяется при волочении медных труб на барабанных волочильных станах. В тех случаях, когда требуется увеличить диаметр трубы, применяют раздачу волочением (Рисунок 41) при осевом сжатии и осевом растяжении.

Рисунок 41- Способы раздачи труб.

Волочильный инструмент

Материал, из которого изготавливаются волоки или фильеры, должен отличаться большей прочностью и стойкостью против износа. Изготавливают фильеры из легированной стали, металлокерамических сплавов, технических алмазов.

Волоки или волочильные кольца делают цельными из стали, из твердых сплавов – цельными или составными – в зависимости от диаметра и конфигурации. Их запрессовывают или закрепляют в стальные обоймы. Схема волоки представлена на Рисунке 42. Ее элементами являются: смазывающий конус, рабочий конус, калибрующий поясок и распушка. Углы конусов составляют: a=10¸24°, b=40¸60°, =60¸90°.

Волоки изготавливают из следующих марок сталей: У7, У8, У12, У13, Х12, Х12М, твердых сплавов: ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15.

Рисунок 42 - Схема волоки: А – смазывающий конус; Б – рабочий конус; В – калибрующий поясок; Г – распушка.

Кроме волок, изготовленных из цельных минералов и сплавов, применяют роликовые и составные волоки.

Роликовая волока – это волочильный инструмент с двумя и более не приводными роликами (Рисунок 43), смонтированными так, что их оси вращения перпендикулярны оси волочения, а рабочие поверхности образуют калибр, соответствующий форме трубы, прутка, профиля.

Двухроликовую волоку с парой вертикальной роликов монтируют в одном корпусе вместе с другой двухроликовой волокой, имеющей пару горизонтальных роликов. Ролики смонтированы в термически закрытых подшипниках. Зазор между роликами регулируется нажимными винтами. Калибры обеих волок устанавливают на одной линии с помощью регулировочного винта.

Преимущества: меньшее внешнее трение, что уменьшает усилие волочения на 10¸20%; возможность вести процесс с большими деформациями; возможность протягивать трудно – деформируемые сплавы со значительным обжатием до 50% и без промежуточной термообработки. Производство их проще, чем монолитных, обладают повышенной стойкостью и не требуют высококачественных технологических смазок.

Рисунок 43 - Роликовая волока.

Сборные волоки применяются для волочения сплошных и полых фасонных профилей. Обладают по сравнению с монолитными большей стойкостью, универсальностью и ремонтопригодностью, возможностью работы без предварительного острения. Рассмотрим две схемы сборных волок.

Первый вариант, Рисунок 44, наружные опорные поверхности вкладышей контактируют с опорными поверхностями корпуса, выполненными с продольным профилем в виде дуги окружности, центр которой расположен в плоскости выходного сечения калибра. Перед началом работы вкладыши разведены. При движении заготовки вкладыши увлекаются силами трения, обжимают заготовку и останавливаются в плоскости выхода, образуя профиль калибра.

Рисунок 44 - Сборная волока, первый вариант: 1 – вкладыш; 2 – корпус.

Сборная волока, второй вариант (Рисунок 45), содержит два горизонтальных валка 1 с сегментами 2 и синхронизирующими шестернями 3. Перед началом работы сегменты разведены грузовым устройством для свободного ввода заготовки в рабочее пространство. При контакте заготовки с валками резиновыми элементами 4, являющимися элементами захвата, происходит их поворот, захват конца заготовки тележкой и волочение. После окончания волочения валки поворачиваются в исходное положение под действием веса контргруза 5.

Рисунок 45 - Сборная волока, второй вариант.

Технология волочения

В качестве исходного материала для волочения используют катанку и прессованные заготовки. Перед волочением заготовка проходит предварительную обработку: термообработку, удаление окалины и подготовку поверхности для закрепления и удержания на ней смазки.

Термическую обработку перед волочением выбирают такой, чтобы она снимала наклеп и придавала металлу нужные механические характеристики.

Во многих случаях термообработку в процессе волочения могут производить несколько раз. Обычно приводят после получения относительного обжатия 70¸85% за один переход. Готовый продукт также может подвергаться термообработке с целью придания конечному продукту необходимых механических свойств и структуры.

Удаление окалины и заготовок перед волочением производится механическим, химическим, электромеханическими способами, а также их комбинациями. При механическом способе заготовку подвергают изгибу между роликами, установленных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, зачистку могут производить металлическими щетками, поверхность подвергают дробеструйной обработке.

При химическом способе удаления окалины заготовку подвергают травлению в растворах серной и соляной кислоты с добавлением в ванну присадок, которые уменьшают скорость растворения основных металлов, снижают диффузию водорода в металле, уменьшают загазованность.

При электрическом способе в ванне с раствором, через которую проходит проволока, устанавливается электрод. К проволоке и электроду подводится постоянное напряжение. Проволока может быть как катодом, так и анодом. При электролизе окалина частично восстанавливается, но в подавляющих случаях отрывается бурно выделяющимся водородом. В качестве анода используется свинец и его сплавы, в качестве катода - свинец, медь, железо. Для снижения трения непосредственно после травления металл тщательно покрывают тонким слоем гидрата окиси железа ( ) желтого цвета, который вместе с известью выполняет роль наполнителя при волочении с мыльным порошком.

При меднении проволоку обрабатывают медным раствором, в результате чего при волочении, за счет тонкой медной пленки, снижается коэффициент трения в волоке. Также применяется фосфатирование, которое представляет процесс образования на проволоке кристаллической пленки фосфатов марганца, железа или цинка. Фосфатная пленка в сочетании со смазкой способствует равномерному прилипанию смазки и снижению коэффициента трения. После промывки, нанесения смазки металл подвергается сушке.

После волочения прутки помимо термической обработки травят, шлифуют, полируют, хромируют, наносят защитные покрытия.

Для регламентации технологических операций составляют технологические карты, в которых расписан весь технологический процесс по подготовке металла к волочению, маршрут волочения, способы начальной, промежуточной и окончательной обработки, операций отделки. Маршрут волочения представляет собой последовательность изменения размеров поперечного сечения металла на волочильном стане.