Способы обработки металлов давлением
Под «обработкой металлов давлением» в технологии машиностроения понимают различные технологические процессы получения заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий из черных и цветных металлов путем деформирования в холодном или горячем состоянии.
Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую).
Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т.е. тело восстанавливает свою первоначальную форму.
Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузки, т.е. тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры. Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояния, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.
Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, так как все процессы обработки металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок.
Пластичность – способность твердого тела сохранять целостность без видимых (макроскопических) нарушений в процессе деформирования.
Она зависит от химического состава, строения кристаллической решетки металла, температуры, скорости деформации и ряда других факторов.
Горячая обработка металлов давлением обычно производится при температурах, значительно превышающих температуру их рекристаллизации, когда скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, обычно превышает скорость процесса упрочнения. Зерна в металле получаются тем мельче, чем больше степень деформации.
Основные виды проката
Продукция прокатного производства называется прокатом. Он различается по размерам и форме сечения – профилю.
Из слитков массой до 25 т на обжимных прокатных станах получают заготовки квадратного профиля – блюмы, используемые для изготовления сортового проката, и слябы – заготовки прямоугольного профиля.
Листовой прокат разделяют на толстолистовой, тонколистовой и фольгу. К толстолистовому прокату относится броневая, котельная, резервуарная сталь; к тонколистовому – кровельная, трансформаторная, электротехническая сталь, жесть и др.
В последнее время большое развитие получило производство гнутых профилей из холодно- и горячекатаных полос и лент. Гнутые профили сложной конфигурации применяются в автотракторной, авиационной промышленности и в строительстве. Они изготовляются на специальных ролико-гибочных машинах и поставляются в виде отдельных заготовок или бухт ленты определенного профиля. Сортамент гнутых профилей превышает 400 разновидностей.
Листовой прокат по способу производства делят на горяче- и холоднокатаный. Горячекатаную толстолистовую сталь получают из слябов, прокатанных в многоклетеных листопрокатных станах. Готовый прокат проходит правку, обрезку на заданные размеры, очистку и термообработку. Горячекатаный тонкий лист (толщиной менее 4 мм) получают из сутунки – заготовки прямоугольного сечения толщиной 6 – 12 мм, из слябов на станах полунепрерывной и непрерывной прокатки. Тонкая лента на выходе из последней клети стана непрерывной прокатки скатывается в рулоны. Рулонный метод прокатки обеспечивает повышение выхода годной продукции, производительности процесса и механических свойств металла. Лист в рулонах либо поступает на дальнейшую обработку в цех холодной прокатки, либо подвергается отделочным операциям.
Холодной прокаткой получают только тонкую листовую сталь и стальную ленту с высоким качеством поверхности и точностью по толщине. Прокатку ведут листовым или рулонным способом на четырехвалковых многоклетевых станах. Применение смазки валков способствует их охлаждению и получению высококачественной поверхности изделий.
Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки – ленты, получаемой из штрипсов – листов, ширина которых соответствует длине окружности трубы. Нагретый до высокой температуры (1300 – 1350 °С) штрипс протягивают через воронку, в которой он сворачивается в трубу 3 и одновременно под давлением сваривается встык. После этого сварная труба поступает на стан горячей калибровки для доведения до точного диаметра. Из штрипсов изготовляют сравнительно короткие трубы диаметром до 400 мм. Трубы большого диаметра до 1500 мм с толщиной стенки до 12 мм получают из свернутой по спирали полосы с последующей дуговой сваркой спирального шва под слоем флюса.
Бесшовные трубы изготовляют из сплошной заготовки. Технологический процесс производства бесшовных труб делится на два основных этапа: получение пустотелой гильзы из слитка или круглого проката и готовой трубы из гильзы.
ЛЕКЦИЯ 9 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Литье в разовые формы
Литейным производством называют процессы получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полую форму, воспроизводящую форму и размеры будущей детали. После затвердевания металла в форме получается отливка – заготовка или деталь. Отливки широко применяют в машиностроении, металлургии и строительстве.
Можно получать отливки различной массы (от нескольких граммов до сотен тонн), простой и сложной формы из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т.д. Особенно эффективно применение отливок для получения фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно или экономически нецелесообразно изготовлять другими методами обработки металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для получения изделий из малопластичных металлов и сплавов.
При всем разнообразии приемов литья, сложившихся за длительный период развития его технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чем семь веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.
До середины двадцатого столетия литейный способ считался одним из важнейших методов получения фасонных заготовок. Однако наряду с такими достоинствами литейного производства, как относительная простота получения и низкая стоимость отливок (особенно из чугуна), возможность изготовления сложных деталей из хрупких металлов и сплавов, он имеет и ряд существенных недостатков. Это, прежде всего, довольно низкая производительность труда, неоднородность состава и пониженная плотность материала заготовок, а, следовательно, и их более низкие, чем у заготовок, полученных обработкой давлением, прочностные характеристики. На данном этапе развития литейного производства освоено производство автоматических линий формовки, заливки и выбивки отливок, созданы комплекты современного смесеприготовительного оборудования, освоен выпуск целой гаммы машин для специальных способов литья, существенно возрос уровень механизации и автоматизации технологических процессов.
Основными технико-экономическими показателями работы литейных цехов являются: годовой выпуск отливок в тоннах; выпуск отливок на одного работающего; съем литья с 1 м2 производственной площади цеха; выход годного металла (в процентах от массы металлозавалки и жидкого металла); доля брака литья (в процентах), уровень механизации; доля литья, получаемого специальными способами; себестоимость 1 т литья.
В структуре себестоимости литья основную долю составляют затраты на металл (до 80 %). Производя технико-экономический анализ литейного производства, особое внимание необходимо обращать на те стадии и элементы технологического процесса, которые непосредственно связаны с возможными потерями металла на угар, разбрызгивание, брак и т.п. Себестоимость литья зависит от объема производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.
Литье в разовые песчано-глинистые формы является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок.
Разовые песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в полу литейного цеха по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. В почве получают отливки крупногабаритных деталей (станин, колонн и т.д., более мелкие отливки обычно получают в опочных литейных формах. Внешнее очертание отливок соответствует углублениям формы, отверстия получают за счет стержней, вставляемых в полость формы.
Технологический процесс производства отливок в опочных формах состоит из трех стадий: подготовительной, основной и заключительной. Модельная оснастка, изготовленная в модельных цехах, представляет собой приспособления, с помощью которых изготовляют формы и стержни. К оснастке относятся модели деталей, подмодельные щитки, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и опоки.
Модели (рис. 9.1, а) служат для получения полости в земляной форме, которая по размерам и внешним очертаниям соответствует будущей отливке. Так как металл после затвердевания усаживается (уменьшается в объеме), размеры модели делают несколько большими.
Изготовляют модели из дерева, пластмассы или металла. Выбор материала зависит от условий производства и требований, которые предъявляют к отливке в отношении точности размеров и чистоты поверхности.
Для того чтобы модели легко извлекались из формы, их делают с формовочными уклонами и часто разъемными, из двух и более частей, легко скрепляемых при помощи шипов.
Для получения отливок с отверстиями или углублениями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы – стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатка для установки стержней. Место, занимаемое в форме стержнем, не заполняется металлом, и в отливке после удаления стержня образуется отверстие или углубление. Стержни изготовляют из особой стержневой смеси, набивая ее вручную или машинным способом в стержневые ящики (см. рис. 9.1, б). При этом учитывают изменение размеров отливки при затвердевании металла. Размеры стержней должны быть меньше отверстий на величину усадки металла. В зависимости от сложности изготовления стержневые ящики делают цельными и разъемными. При небольших партиях стержней ящики делают из дерева.
В массовом производстве, особенно при повышенных требованиях к точности литья, применяют металлические ящики (чугунные или из алюминиевых сплавов). Модели литниковой системы предназначены для образования в форме каналов и полостей, служащих для подачи металла, задержки шлака и выхода воздуха из полости формы (см. рис. 9.1, в). Устройство литниковой системы обеспечивает спокойное поступление металла в форму, предохраняя ее от повреждения. Подмодельные щитки-плиты (см. рис. 9.1, г) служат для размещения на них моделей и установки опоки при изготовлении литейной формы вручную. Опоки (см. рис. 9.1, д) – деревянные или металлические рамки, каркасы, основное назначение которых состоит в удерживании песчано-глинистой смеси, обеспечении достаточной прочности и жесткости формы при ее изготовлении, транспортировке и заливке металла.
Рисунок 9.1 – Модельная оснастка:
а – модели; б – стержневые ящики; в – модели литниковой системы; г – подмодельные щитки-плиты; д – верхняя и нижняя опоки
Формовочные и стержневые смеси в основном состоят из кварцевого песка определенной зернистости и жароупорности. Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью и газопроницаемостью, а формы и стержни, изготовленные из них, – достаточной прочностью.
Формовка – наиболее сложная и трудоемкая операция производства отливок в разовых песчано-глинистых формах. Трудоемкость изготовления литейных форм составляет 40 – 60 % от общей трудоемкости получения отливок. Процесс ручной формовки отличается огромной трудоемкостью. Сущность машинной формовки заключается в механизации основных операций: установки модельных плит и опок (рис. 9.2, а), наполнения опок формовочной смесью (см. рис. 9.2, б), уплотнения смеси и удаления моделей из форм (см. рис. 9.2, в). Отдельные конструкции формовочных машин позволяют также механизировать некоторые вспомогательные операции: поворот опок, снятие готовых полуформ со стола машины, передачу их на сборку и т. п.
Машинная формовка не только облегчает труд рабочих-формовщиков, но и дает возможность повышать производительность труда, получать более точные отливки с меньшими припусками на механическую обработку, снижать брак.
В последние годы в литейном производстве повсеместно внедряются специальные способы литья, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционным литьем в разовые песчано-глинистые формы.