Технологические процессы обработки металлов давлением

С использованием методов обработки металлов давлением (ОМД) получают самые большие и ответственные детали роторов турбогенераторов, корпусов реакторов атомных станций, гребные винты кораблей, рельсы, трубы, лист, а также гвозди, значки и медали и многие другие изделия. Методами ОМД изготавливают 70% деталей самолетов, 75% деталей автомобилей, потому что процессы обработки давлением характеризуются минимальным расходом металла и высокой производительностью.

Кроме того, при пластическом деформировании металла повышается его качество за счет того, что металл упрочняется, «залечиваются» его дефекты.

Обработка металлов давлением является одним из старейших технологических процессов; кованные изделия из золота и бронзы, появились около 8 тыс. лет до нашей эры.

Обработка металлов давлением основана на богатейшей способности металлов в определенных условиях подвергаться пластической деформации. Методы ОМД позволяют получать заготовку максимально приближенную к будущей детали, тем самым уменьшить расход материала, снизить трудоемкость изготовления детали, повысить производительность труда.

Процессы ОМД по назначению подразделяются на два вида:

Для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине: прутков, проволоки, лент, листов и т.п.; основные разновидности таких процессов - прокатка, прессование, волочение.

Для получения заготовок, имеющих максимально приближенные к готовым деталям формы и размеры: ковка, штамповка.

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформации.

Холодная деформация характерезуется тем, что формоизменение сопровождается возрастанием прочности и снижением пластичности материала. Для возврата первоначальных свойств металла необходим отжиг.

Явление замены деформированных, вытянутых зерен металла новыми, равноосными, происходящее во времени и при определенных температурах (для чистых металлов при температуре, равной 0,4 температуры плавления), называется рекристаллизацией.

Горячая деформация характеризуется таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура остается равноосной. При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, поэтому ее целесообразно применять при глубоком деформировании, при обработке труднодеформируемых, малопластичных материалов. В то же время при горячей деформации окисление заготовки идет более интенсивно, требуется энергия и время для нагрева заготовки.

Прокатное производство

Прокатка это вид обработки металлов давлением, при котором металл пластически деформируется вращающимися валками.

Рис. 3.1 Схема продольной прокатки

Прокатное производство занимает доминирующее положение среди методов ОМД: прокатке подвергают 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов.

Одна из наиболее распространенных разновидностей прокатки - продольная прокатка (рис. 3.7).

Заготовка 1 деформируется между валками 2 и перемещается перпендикулярно осям валков. В процессе прокатки уменьшается толщина заготовки при одновременном увеличении ее длины и ширины. Отношение полученной длины и первоначальной называется вытяжкой (мерой деформации):

. (3.1)

Обычно m=1,1...1,6 за один проход.

Для прокатки обязательным является выполнение условия захвата металла валками:

N×sin a<F×cos a, (3.2)

где F=fN - сила трения;

f - коэффициент трения.

После подстановки получим sina<fcosa или f>tga; при горячей прокатке стали гладкими валками a=15...24°.

Форма поперечного сечения прокатанного изделия называется профилем, совокупность различных профилей разных размеров - сортаментом. Профили сортового проката могут быть простыми: круг, квадрат, шестигранник и сложными: швеллеры, рельсы, уголки и т.п. Широко применяется листовой прокат. Листовую сталь делят по использованию в отраслях промышленности на электротехническую, судостроительную, котельную, жесть и т.п.; по толщине - на толстолистовую 4...160мм, тонколистовую 4...0,2мм и фольгу <0,2мм. Прокаткой также получают трубы стальные – бесшовные, диаметром 30...650мм и сварные диаметром 10...1420мм, и специальные виды проката: железнодорожные колеса, кольца, периодические профили, у которых поперечное сечение периодически изменяется вдоль оси.

Инструментом прокатки являются валки, которые в зависимости от прокатываемого профиля могут быть гладкими (для листов, лент), ступенчатыми (например, для полосовой стали) и ручьевыми (для сортового проката).

Ручьем называют вырез на поверхности валка, а совокупность двух ручьев пары валков образуют калибр.

Комплект валков со станиной, в которой они установлены, носит название рабочей клети (рис. 3.8). Валки рабочей клети являются ведущими. Совокупность привода валков одной или нескольких рабочих клетей образует прокатный стан. Прокатные станы по назначению подразделяются на станы для производства полупродукта (заготовок) - блюминги, слябинги, и станы для выпуска готового проката: рельсобалочные, сортовые, листопрокатные, пруткопрокатные и т.п.

Рис. 3.2. Схема рабочей клети

Исходными заготовками при прокатке являются слитки: стальные, массой до 60т, из цветных металлов и сплавов - до 10т. При прокатке сортовых профилей стальной слиток массой до 12т в горячем состоянии прокатывается на обжимных станах - блюмингах; получающиеся заготовки -блюмы имеют поперечные размеры от 450´450мм до 150´150мм.

Блюмы затем прокатывают на сортовых станах, в которых заготовка последовательно проходит через ряд калибров (до 19 при получении проволоки) до приобретения требуемого профиля.

Процесс деформирования металла требует соблюдения определенного температурного режима, своевременного удаления неизбежно образующейся при горячей прокатке окалины.

Рис. 3.3. Схема калибров для получения рельсов

В качестве примера на рис. 3.9 показана схема калибров для получения рельсов.

При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка отверстия. Эту операцию выполняют в горячем состоянии на прошивочных станах с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под углом 4...14° друг к другу. Оба валка к тому же вращаются в одном направлении, заготовка получает одновременно вращательное и поступательное движения. Отверстие прошивается установленной на штанге конусообразной оправкой.

Последующую прокатку гильзы в трубу требуемого диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах.

Прошитую гильзу раскатывают между двумя валками 1 с последовательно расположенными круглыми калибрами и оправкой 2 (рис. 3.10). Для получения равномерной деформации стенки прокатку ведут с поворотом трубы на 90° после каждого прохода. После раскатки трубы окончательно отделывают: правят, отрезают концы, термически обрабатывают и т.п. Бесшовную трубу можно получить также следующим образом: заготовка трубы получается центробежным литьем. Затем в нагретую до высокой температуры герметически закрытую с обоих торцов заготовку трубы нагнетают воду, нагретую до 350°С. Соприкасаясь с металлом вода мгновенно превращается в перегретый (до 700°С) пар с 1000 –кратным увеличением объема. Необходимые размер и форма трубы достигаются конфигурацией специальной матрицы, в которой была помещена заготовка.

Рис. 3.4 Изготовление безшовных труб

Сварные трубы получают из плоской заготовки - ленты, которую перед сваркой формуют в трубу. Трубы изготавливают с прямым или спиральным (винтообразным) швами. В первом случае лист формуют на листогибочных валковых станах или на прессах, во втором лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается.

Среди специальных видов проката большое значение имеет прокатка периодических профилей; последние применяют как фасонную заготовку для последующей обработки. Периодические профили в основном изготавливают поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. При поперечной прокатке валки периодически (в соответствии с заданным законом) возвратно-поступательно перемещаются в радиальном (поперечном) направлении. Валки стана поперечно-винтовой прокатки отличаются тем, что их ручьи соответствующей формы выполнены по винтовой линии; такие станы получили распространение для прокатки заготовок шаров и сферических роликов подшипников качения.

Ковка, горячая штамповка

Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором нагретую заготовку последовательно деформируют с помощью универсального инструмента, не ограничивающего течения металла в плоскости перпендикулярной действию силы.

Ковкой получают заготовки (поковки) как правило, для последующей механической обработки; это единственный способ получения тяжелых (до 250т) заготовок ответственных деталей типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков, крупных коленчатых валов и т.п.

а б в Рис. 3.1. Операции ковки: а – осадка; б – прошивка; в - протяжка

Основные операции ковки частично иллюстрирует рис. 3.11: это осадка, прошивка, протяжка, гибка, отрубка, скручивание и др.

Осадку - уменьшение высоты заготовки - применяют для получения поковки относительно большого диаметра и малой высоты. Ее также применяют для улучшения структуры слитка и механических свойств изделия.

Прошивка используется для получения в заготовке отверстия или углубления.

Протяжка - операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения ее поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные смежные участки заготовки.

Относительно сложные поковки получают с нескольких нагревов, за несколько операций, последовательность которых устанавливают в зависимости от конфигурации изделия, вида заготовки и т.п.

Рис. 3.2. Формы поковок

Ковку производят на ковочных молотах и гидравлических прессах. Молоты - машины ударного действия; продолжительность деформации на молотах составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной падающими частями молота.

В гидравлических прессах деформация происходит в квазистатическом режиме; их применяют для получения крупных поковок.

Формы поковок очень разнообразны; на рис. 3.12 приведены некоторые из них.

Горячая объемная штамповка – процесс изготовления пластическим деформированием разнообразных поковок в штампах, имеющих полость, заполняемую металлом. Производительность штамповки значительно выше чем ковки: она составляет десятки и сотни деталей в час.

Однако штамп - это дорогостоящий специальный инструмент, в связи с чем штамповка экономически целесообразна лишь при изготовлении достаточно больших партий деталей. Кроме того, штамповка требует гораздо больших усилий деформирования.

Детали относительно простой формы, не имеющие большой разницы сечений по длине (высоте), обычно штампуют в одноручьевых штампах. Детали сложной конфигурации штамповать в одноручьевом штампе из прокатанных заготовок постоянного профиля невозможно; в этом случае, прежде чем производить окончательное формообразование, требуется приблизить форму заготовки к форме детали, например, обработкой ее в заготовительных ручьях.

Технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следующих операций: резки проката на мерные заготовки, нагрева, штамповки, обрезки заусенца, образующегося вследствие вытекания в полость разъема штампа излишков металла, правки, термообработки, очистки от окалины, калибровки.

Холодная штамповка

Холодную штамповку можно подразделить на объемную штамповку (выдавливание, высадка, объемная формовка) и листовую штамповку (отрезка, вырубка и пробивка, гибка, вытяжка).

Рис. 3.1. Изделия получаемые холодной объемной штамповкой

По сравнению с горячей объемной штамповкой холодная имеет ряд преимуществ: нет операций нагрева металла и удаления образующейся при этом окалины, нет обезуглероживания поверхностного слоя и т.п. Холодная штамповка существенно точнее: если горячая штамповка позволяет получать детали с точностью, соответствующей 12...15 квалитетам и шероховатостью R_z=100мкм, то холодная – 7...11 квалитетам и R_z=10мкм. Однако к материалу для холодной штамповки предъявляется требование повышенной пластичности: так, стали должны быть с содержанием углерода 0,08...0,45% и с пониженным содержанием серы, фосфора и других примесей.

На рис. 3.13 показаны заготовки и детали, получаемые различными способами холодной объемной штамповки.

Рис. 3.2. Схема выдавливания

Схема деформирования при холодном выдавливании сходна со схемой прессования (рис.3.14).

Металл под действием пуансона 1, вытекает в отверстие, расположенное в донной части матрицы 2. Основной положительной особенностью холодного выдавливания является возможность достижения больших степеней деформации без разрушения, обусловленная схемой деформирования: в зоне деформации 3 металл находится в состоянии всестороннего сжатия.

Холодной высадкой из прутка или проволоки получают детали типа заклепок, болтов, гвоздей, шариков, накидных гаек и т.п. Последовательность переходов этой операции выглядит следующим образом. Пруток подается до упора, поперечным движением отрезается заготовка нужной длины, и в позиции штамповки, путем уменьшения длины заготовки, с получением местного утолщения, получают готовую деталь.

Описанные действия осуществляются на холодно-высадочных автоматах. Холодная штамповка на автоматах отличается высокой точностью, производительностью до 400шт/мин, высоким (до 96%) коэффициентом использования материала.

Одна из схем холодной высадки показана на рис.3.15: подача прутка 1 до упора 2, высадка бойком 4 шляпки, отрезка ножами 3.

Листовой штамповкой изготавливают из прокатного листа полосы, ленты (зачастую свернуты в рулон), самые разнообразные плоские и объемные детали массой от долей грамма до десятков килограммов: шайбы, колпачки, кастрюли, детали облицовки автомобилей, самолетов, ракет и др.

Характерным для листовой штамповки является то, что толщина стенок, получаемых штамповкой деталей, практически не отличается от толщины исходной заготовки; материал при изготовлении объемных деталей испытывает значительные деформации, поэтому к нему предъявляются особые требования по пластичности.

Рис. 3.3. Cхема холодной высадки

Операции листовой штамповки: отрезка, вырубка и пробивка, гибка, вытяжка, обжим, формовка.

1- пуансон, 2 - матрица Рис. 3.4. Схема вырубки

Отрезка - отделение части материала, например, разделение листа на полосы осуществляется на гильотинных либо дисковых ножницах, реже - в штампах.

Вырубкой оформляют наружный контур детали, пробивкой - внутренний. Эти операции осуществляются в штампах: пуансон 1 выдавливает часть заготовки в отверстие матрицы 2 (рис. 3.16).

Качество среза зависит от зазора z, который назначают с учетом толщины s и механических свойств заготовки: z»(0,05...0,1)s.

При оптимальном зазоре механизм разрушения металла выглядит следующим образом: на некоторой стадии внедрения инструмента в заготовку у режущих кромок матрицы и пуансона зарождаются трещины, наклоненные к оси под углом 4...6°, которые быстро развиваются и в завершающей стадии встречаются. Поверхности среза получаются при этом сравнительно гладкими. Усилие вырубки (и пробивки) при параллельных плоских рабочих торцах пуансона и матрицы определяется по формуле

P=L×s×s_в,

где L - периметр заготовки.

Гибка - операция, изменяющая кривизну заготовки; в процессе гибки пластическая деформация локализуется на узком участке, контактирующим с пуансоном: внутренние (обращенные к пуансону) слои заготовки сжимаются, наружные - растягиваются. Это обстоятельство может вызвать при определенной величине деформации образование трещин, идущих от наружной поверхности заготовки, и требует ограничения минимального радиуса пуансона r. В зависимости от пластичности материала принимают r_min=(0,1...2)s.

Вытяжка может быть без утонения и с утонением стенки (рис. 3.17).

Вытяжка без утонения стенки происходит следующим образом (рис. 3.17а): исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы 2. Пуансон 1 надавливает на центральную часть заготовки, которая, смещаясь в отверстие матрицы, тянет за собой периферийную часть (фланец), из которой образуются стенки вытянутого изделия. Во фланце в радиальном направлении действуют растягивающие напряжения s_r, в тангенциальном - сжимающие s_q; последние уменьшают диаметральные размеры заготовки. При определенных условиях фланец может потерять устойчивость, что приводит к образованию на нем складок. Для предотвращения этого применяют прижим 3, с определенной силой прижимающий фланец заготовки к плоскости матрицы.

а б Рис. 3.5. Схема вытяжки: а - без утонения стенки, б - с утонением стенки

Существуют ограничения величины формоизменения, оцениваемой коэффициентом вытяжки К: , которые предотвращают разрушение материала. Кроме этого на величину разрушающих напряжений влияют радиусы кромок матрицы r_м и пуансона r_п, а также силы трения. Рекомендуется принимать r_м»r_п~(5...10)s.

При вытяжке с утонением (рис. 3.17б) происходит увеличение длины полой части заготовки в основном за счет уменьшения толщины ее стенок.

Как и во всех методах обработки металлов давлением, для снятия последствий упрочнения, являющегося следствием происшедшей на предыдущем переходе пластической деформации и увеличения пластичности материала, заготовку перед последующим переходом (при его необходимости) подвергают рекристаллизационному отжигу.

а б Рис. 3.6. Схема формовки

Рис. 3.7. Схема вырубного штампа

Формовка - операция по изменению формы заготовки в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина стенки этих участков уменьшается. Формовкой получают местные выступы, ребра жесткости и т.п., деформирование осуществляется металлическими пуансонами и матрицами, а в отдельных случаях одним из инструментов является резиновая подушка (рис. 3.18).

Операции листовой штамповки выполняются в штампах; схема штампа для вырубки круглых пластин приведена на рис. 3.19.

Пуансон 7 и матрицу 4 с помощью пуансонодержателя 8 и матрицедержателя 5 прикрепляют соответственно к верхней 10 и нижней 6 плитам штампа. Точное направление пуансона относительно матрицы обеспечивается направляющими втулками 11 и колонками 12, запрессованными в верхнюю и нижнюю плиты штампа. Полоса или лента подается между направляющими линейками 2 до упора 3, ограничивающего шаг подачи. Высечка снимается с пуансона съемником 1. Нижнюю плиту штампа прикрепляют к столу пресса болтами или скобами, а верхнюю плиту в штампах сравнительно небольшой массы - к ползуну пресса с помощью хвостовика 9; верхнюю плиту в штампах большой массы крепят к ползуну болтами или скобами.

В штампах листовой штамповки можно выполнить не одну, как показано на рис. 3.19, а несколько операций. Для этого используют штампы последовательного действия, в которых операции выполняются в различных позициях по направлению подачи при перемещении заготовки на шаг подачи, или штампы совместного действия в этом штампе все операции выполняются в одной позиции.