Виды машиностроительных профилей и их производство

Машиностроительные профили – длиномерные изделия (у которого один размер – длина значительно больше поперечных размеров) с определенной формой поперечного сечения. Данные о группе профилей, различающихся фо­рмой и размерами, называют сортамен­том. Весь сортамент машиностроитель­ных профилей, получаемых обработкой давлением, можно разделить на четыре основные группы: сортовые профили, листовой металл, трубы и периодичес­кие профили.

Сортовые профили (рис. 23, а) делят на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и т. д.).

Листовой металл из стали и цветных металлов используют в различных от­раслях промышленности. В связи с этим листовую сталь, например, делят на автотракторную, трансфор­маторную, кровельную жесть и т. д. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым, алю­миниевым и пластмассовым покрыти­ями. Кроме того, листовую сталь делят на толстолистовую (толщиной 4-160 мм) и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы делят на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы используют в на­иболее ответственных случаях в тру­бопроводах, работающих под внутрен­ним давлением, в агрессивных средах.

Периодические профили имеют пе­риодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки (рис. 23, б); их приме­няют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как за­готовку под окончательную механи­ческую обработку.

Рис. 23 Примеры сортовых и периодических профилей

Для изготовления машиностроитель­ных профилей применяют прокатку, прессование, волочение. По­этому кроме группирования по приве­денным геометрическим признакам профили разделяют и по способу их изготовления.

Производство прокатанных профилей

Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. При прокатке ме­талл пластически деформируется вра­щающимися валками. Взаимное рас­положение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различ­ными. Кроме наиболее распространен­ного вида прокатки - продольной (рис. 3.4,6) выделяют еще два ви­да - поперечную и поперечно-винтовую.

При поперечной прокатке (рис. 24, а) валки 1, вращаясь в одном направле­нии, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 24,б) валки 1 расположены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и по­ступательное движение.

Рис. 24 Схемы поперечной (а) и поперечно-винтовой (б) прокатки:1-валки: 2-заготовка; 3-оправка

При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка – об­разование отверстия в слитке или круг­лой заготовке. Эту операцию выпол­няют в горячем состоянии на прошив­ных станах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под небольшим углом (5-15°) друг к другу (см. рис. 24, б). Оба валка 1 вращаются в одном на­правлении, т. е. в данном случае ис­пользуется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому рас­положению валков заготовка 2 получа­ет одновременно вращательное и по­ступательное движение. При этом в металле возникают радиальные рас­тягивающие напряжения, которые вы­зывают течение металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю полость, и облегчают про­шивку отверстия оправкой 3, устанав­ливаемой на пути движения заготовки.

Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространенном методе трубу про­катывают на короткой оправке 2 в так называемом автоматическом двухвал­ковом стане (рис. 25). Валки 1 образу­ют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закрепленной на длинном стержне оправкой 2 и ручьями валков определяет тол­щину стенки трубы.

Рис. 25 Схема прокатки труб на автома­тическом стане

Сварные трубы изготовляют из плос­кой заготовки - ленты (называемой штрипсом) или из листов, ширина которых соответствует длине (или по­ловине длины) окружности трубы. Про­цесс изготовления сварной трубы вклю­чает следующие основные операции: гибку плоской заготовки в трубу, свар­ку кромок, уменьшение (редуцирование) диаметра полученной трубы.

При получении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам.

Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станах попе­речно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, но и за­готовки шаров, роликов подшипников качения (рис. 26). Валки 2 и 4 враща­ются в одну сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 7 при про­катке получает вращательное и посту­пательное движение; от вылета из вал­ков она предохраняется центрирующи­ми упорами 3.

Рис. 26 Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки

Производство прессованных профилей

При прессовании металл выдавлива­ется из замкнутой полости через от­верстие, соответствующее сечению прессуемого профиля.Этим процессом изготовляют не только сплошные профили, но и полые (рис. 27). В этом случае в заготовке необходимо предварительно получить сквозное отверстие. Часто отверстие прошивают на том же прессе. В процес­се прессования при движении пуансона 1 с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавливается в зазор между мат­рицей 3 и иглой 4. Прессование по рассмотренным схемам называется пря­мым. Значительно реже применяют об­ратное прессование, схема деформиро­вания которого аналогична схеме об­ратного выдавливания (см. рис. 27, а).

Рис. 27 Схема прессования полого профи­ля (а) и примеры профилей, полученных прессованием (б)

К недостаткам прессования следует отнести большие отходы металла: весь металл не может быть выдавлен из контейнера, и в нем остается так называемый пресс-остаток, который по­сле окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс-остатка может достигать 40% массы исходной заготовки (при прессовании труб большого диаметра).

Волочение машиностроительных профилей

Волочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения внешнего диаметра) и с оправкой (для уменьше­ния внешнего диаметра и толщины стенки). На рис. 28, а показана схема волочения трубы 7 на короткой удер­живаемой оправке 3. В этом случае профиль полученной трубы определя­ется зазором между волокой 2 и оправ­кой 3.

Поскольку тянущая сила, приложен­ная к заготовке, необходима не только для деформирования металла, но и для преодоления сил трения металла об инструмент, эти силы трения стараются уменьшить применением смазки и по­лированием отверстия в волоке.

Рис. 28 Схема волочения трубы (а) и при­меры профилей, полученных волочением (б)

Получение поковок машиностроительных деталей

Виды поковок

Поковкой называют заготовку дета­ли, полученную обработкой металлов давлением. Огромное разнообразие ма­шиностроительных деталей и соответ­ственно такое же разнообразие форм и размеров поковок обусловливает существо­вание различных способов изготовления поковок.

Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим техно­логию их изготовления. Такими призна­ками являются масса, конфигурация, марка сплава и тип производства.

Изготовление поковок может осуще­ствляться по схемам свободного пла­стического течения между поверхностя­ми инструмента или затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно превышающее давление при свободном пластическом течении металла. Вследствие этого поковки боль­шой массы затруднительно изготовлять штамповкой. Для тяжелых поковок еди­нственно возможным способом изготовления является ковка — вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные бойки, а также раз­личный подкладной инструмент. Таким образом, при ковке используют уни­версальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент — штамп, из­готовление которого при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Поэтому в единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически более целесообразна. Чем больше партия одинаковых поковок, тем более специализирован­ным может быть технологический процесс их изготовления, так как применение более сложного, а значит более дорогого, инструмента и специального оборудования экономически оправдано.

Рис. 29 Виды машиностроительных поковок

Упрощенно поковки можно раз­делить на такие группы:

осесимметричные типа дисков и колес (рис. 29, 1, а); втулок и колец (рис. 29, 1, б); осесимметричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных (рис. 29, 2); осесимметричные типа ва­лов и осей (рис. 29, 3), длина которых вдоль оси больше поперечных разме­ров; неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков (рис. 29, 4} с меньшим или большим соотношением габарит­ных размеров; к этой многочисленной группе относятся поковки гаечных клю­чей, шатунов, звеньев гусениц тракто­ров, лопаток турбин, крюков грузопо­дъемных механизмов, коленчатых ва­лов и др.

Кроме такого разделения поковок по типу деталей при технологических рас­четах по конфигурации поковки делят на группы сложности. Критерием слож­ности поковки может быть отношение объемов поковки и описанной вокруг нее простой геометрической фигуры – призмы или цилиндра.

Ковка

Процесс ковки состоит из чередова­ния в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется харак­тером деформирования и применяемым инструментом.

К основным операциям ковки относят­ся осадка, протяжка, прошивка, отруб­ка, гибка.

Осадка - операция уменьшения вы­соты заготовки при увеличении пло­щади ее поперечного сечения (см. рис. 30, а). Осаживают заготовки меж­ду бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осажи­вают лишь на части длины заготовки.

Протяжка - операция удлинения заготовки или ее части за счет умень­шения площади поперечного сечения (рис. 30, а).

Рис. 30 Схемы протяжки и ее разновидностей

Протяжку производят по­следовательными ударами или нажати­ями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с по­дачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг этой оси. При слиш­ком малой подаче могут получиться зажимы (рис. 30, б).

Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытесне­ния металла (рис. 31, а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).

Отрубка - операция отделения ча­сти заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку дефор­мирующего инструмента - топора (рис. 31, г).

Гибка - операция придания заго­товке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 31,е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п.

Рис. 31 Схемы операции ковки:а—двусторонняя прошивка; б—сквозная прошивка; в—прошивни; г—отрубка; д—топоры; е—гибка ж—штамповка в подкладных штампах

Оборудование для ковки выбирают в зависимости от режима ковки дан­ного металла или сплава, массы поков­ки и ее конфигурации. Необходимую мощность оборудования обычно определяют по приближенным формулам или справочным таблицам.

Ковку выполняют на ковочных моло­тах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты — машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысяч­ные доли секунды. Металл деформиру­ется за счет энергии, накопленной по­движными (падающими) частями мо­лота к моменту их соударения с за­готовкой. Поэтому при выборе моло­тов руководствуются массой их падающих частей. -

Гидравлические прессы — машины ста­тического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением силы, со­здаваемой с помощью жидкости (вод­ной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса.

Технологические требования к дета­лям, получаемым из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны быть наиболее про­стыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями (рис. 32, 1-4). В поковках следует избегать конических (рис. 32, 5) и клиновых (рис. 3.22, 6) форм. Необходимо учиты­вать трудности выполнения ковкой участков пересечений цилиндрических по­верхностей между собой (рис. 32, 7) и с призматическими поверхностями (рис. 32, 8). В поковках следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п., учитывая, что эти элементы в большинстве случаев из­готовить ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится при­бегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Кроме того, следу­ет стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.

Рис. 32 Правильные и нежелательные формы поковок

Горячая объемная штамповка

В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах.

Штамповка в открытых штампах (рис. 33, а) характеризуется перемен­ным зазором между подвижной и непо­движной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла - облой, ко­торый закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл целиком заполнить всю полость. В ко­нечный момент деформирования в об­лой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высоких требований к точности заготовок по массе. Облой затем обрезается в специальных штам­пах. Штамповкой в открытых штампах можно получать поковки практически всех типов.

Штамповка в закрытых штампах (рис. 33, б, в) характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной ча­стями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование облоя в нем не предусмотрено. Устрой­ство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. На­пример, нижняя половина штампа мо­жет иметь полость, а верхняя—выступ (на прессах), или наоборот (на моло­тах). Закрытый штамп может иметь не одну, а две взаимно перпендикуляр­ные плоскости разъема, т. е. состоять из трех частей (рис. 33, в).

Рис. 33 Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах:1-облойная канавка

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равен­ство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не запол­няются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Следователь­но, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, поскольку от­резка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

Существенное преимущество штам­повки в закрытых штампах - умень­шение расхода металла, поскольку нет отхода в облой. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную структуру, так как во­локна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой.

Оборудование для горячей объемной штамповки: молоты, горячештамповочные кривошипные прессы, горизонталь­но-ковочные машины, гидравлические прессы и машины для специализирован­ных процессов штамповки.

Общий технологический процесс из­готовления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следу­ющих этапов: отрезки проката на мерные заготовки; нагрева; штамповки; обрезки облоя и пробивки пленок; правки; термической обработки; очист­ки поковок от окалины; калибровки; контроля готовых поковок.

Холодная объемная штамповка

Обычно под холодной штамповкой понимают штамповку без предвари­тельного нагрева заготовки. Для ме­таллов и сплавов, применяемых при штамповке, такой процесс деформиро­вания соответствует условиям холодной деформации. Отсутствие окисленного слоя на заготовках (окалины) при хо­лодной штамповке обеспечивает хоро­шее качество поверхности детали и до­статочно высокую точность размеров. Это уменьшает объем обработки реза­нием или даже исключает ее.

Основные разновидности холодной объемной штамповки – холодное выда­вливание, холодная высадка и холодная штамповка в открытом штампе.

Получение деталей из листа

Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские и про­странственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секунд­ная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и раз­мерами, составляющими несколько ме­тров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты).

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что тол­щина их стенок незначительно отлича­ется от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заго­товка обычно испытывает значитель­ные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъяв­лять к материалу заготовки достаточ­но высокие требования по пластич­ности.

В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при холодной штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях - более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штам­повка. Холодная листовая штамповка полу­чила более широкое применение, чем горячая.

Листовую штамповку широко при­меняют в различных отраслях промыш­ленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и при­боростроение, электротехническая про­мышленность и др.

К преимуществам листовой штам­повки относятся возможность получе­ния деталей минимальной массы при заданных их прочности и жесткости; достаточно высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить отделочные операции обработки резанием; сравни­тельная простота механизации и авто­матизации процессов штамповки, обес­печивающая высокую производитель­ность (30-40 тыс. деталей в смену с одной машины); хорошая приспособ­ляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка мо­жет быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

Операции листовой штамповки

Рассмотрим основные разделитель­ные и формоизменяющие операции ли­стовой штамповки.

Отрезка - отделение части заготов­ки по незамкнутому контуру на специ­альных машинах - ножницах и в штам­пах. Отрезку чаще применяют как за­готовительную операцию для разделе­ния листа на полосы заданной ширины.

При вырубке и пробивке харак­тер деформирования заготовки одина­ков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют на­ружный контур детали (или заготовки для последующего деформирования), а пробивкой - внутренний контур (из­готовление отверстий).

Кроме рассмотренных разделитель­ных операций, в технологии листовой штамповки применяют и другие, такие, как надрезка (частичное отделение ча­сти заготовки по незамкнутому кон­туру, причем разделяемые части не теряют связи между собой) и обрезка (отделение краевой части полого из­делия для обеспечения заданной посто­янной по периметру высоты детали или отделение краевой части плоского фланца для получения заданной формы и размеров).

Гибка - операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров (рис. 34, а).

Рис. 34 Схема гибки (а) и изделия, получаемые с ее использованием (б):1-нейтральный слой; 2-пуансон; 3-матрица

Рис. 35 Схемы первого перехода вытяжки (а), последующей вытяжки (б), вытяжки с утонением стенки (в):1-заготовка; 2-изделие; 3-прижим; 4-пуансон; 5-матрица: 6-изделие со складками, образу­ющимися при вытяжке без прижима

Вытяжка без утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при умень­шении периметра вытягиваемой заго­товки.

Для предотвращения появления скла­док применяют прижим 3, с определен­ной силой прижимающий фланец за­готовки к плоскости матрицы.

Отбортовка – получение бортов (горловин) путем вдавливания цен­тральной части заготовки с предвари­тельно пробитым отверстием в матри­цу (рис. 35, а).

Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся полость матрицы (рис. 35, 6).

Формовка – операция, при кото­рой изменяется форма заготовки в ре­зультате растяжения отдельных ее уча­стков. Толщина заготовки в этих участ­ках уменьшается. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п. Часто вместо метал­лического пуансона или матрицы при­меняют резиновую подушку (рис. 35, в). С помощью резинового вкладыша (или жидкости) можно уве­личить размеры средней части полой заготовки . При этом ре­зина или жидкость легко удаляются из штампованной детали, а матрица должна быть разъемной.

Рис.36 Схемы формоизменяющих операции:а – отбортовка, б – обжим, в - формовка ребер жесткости, г - формовка с раздачей: 1 – изделие, 2 – заготовка, 3 – пуансон, 4 – матрица, 5 - резиновый пуансон

При разработке технологического процесса изготовления деталей следует стремиться к умень­шению потерь металла в процессе ли­стовой штамповки. Основной отход при листовой штамповке составляет так называемая высечка, т. е. часть листовой заготовки после ее вырубки. Форма и размеры вырубаемой заготов­ки определяются формой и размерами детали, а также применяемыми в про­цессе штамповки формоизменяющими операциями.

При штамповке мало- и среднегабаритных деталей обычно из одной ли­стовой заготовки вырубают несколько плоских заготовок для штамповки. Между смежными контурами вырубаемых заготовок оставляют перемычки шириной, примерно равной толщине заготовки, хотя в отдельных случаях смежные заготовки вырубают без пе­ремычек (экономия металла при ухудшении качества среза и снижении стойкости инструмента). Расположение контуров смежных вырубаемых заго­товок на листовом металле называется раскроем. Тип раскроя следует вы­бирать из условия уменьшения отхода металла в высечку (рис. 37).

Рис. 37 Примеры раскроя материала с пе­ремычками (а) и без перемычек (б):1 — перемычка

Выбор способа получения поковок из различных сплавов

Конструктивно-технологическими признаками детали, определяющими технологию изготовления обработкой давлением являются ее форма, масса, габариты, марка материала и тип про­изводства.

Масса и габариты детали определяют прежде всего температурный режим обработки давлением. С их увеличени­ем преобладающим становится горячее деформирование, при котором обеспе­чивается меньшее давление на инст­румент и меньшая сила, необходимая для деформирования. Поковки диамет­ром более 150-200 мм получают, как правило, горячим деформированием.

Свойствами материала, определя­ющими выбор способа обработки дав­лением, являются его технологическая пластичность и сопротивление дефор­мированию. Технологическая пластич­ность особенно строго регламен­тируется в условиях применения холод­ной обработки давлением.

Тип производства может оказывать решающее влияние на выбор способа получения поковок, так как в условиях крупносерийного и массового произ­водства рентабельны способы дефор­мирования с использованием специаль­ной технологической оснастки. С умень­шением количества одинаковых деталей может окупаться более простая и де­шевая оснастка. В мелкосерийном и единичном производстве применяют ковку с использованием универсального инструмента. При этом поковка имеет припуски и напуски большие, чем при штамповке.

На основе анализа формы детали, ее массы, свойств материала и типа производства могут быть предварите­льно выбраны способы производства. На следующем этапе необходима про­верка по условиям деформации без разрушения. Для этого можно исполь­зовать теоретический анализ, модели­рование процесса деформирования на ЭВМ, сравнение количественных пара­метров деформации с экспериментально найденными предельными значениями. На третьем этапе проводят конструк­торскую проработку изделия для улуч­шения его технологичности.