Тема 6.2 Виды обработки металлов и неметаллических материалов

 

Литейное производство — процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовлен­ных форм, в которых металл затвердевает.

Отливки могут быть или готовыми деталями или заготовками для последующей обработки в механических цехах. В последнем случае на отливках предусматривается припуск на обработку. Ли­тые детали широко применяют при изготовлении станков, машин, механизмов. Они могут иметь массу от 5 г до 260 т, быть весьма сложными по форме; толщина стенок отливок колеблется от 0,8 до 500 мм.

Наибольшее количество литья — около 70 % от массы всех от­ливок — производят из серого чугуна (включая модифицированный и высокопрочный), далее идет стальное литье (около 20 %), литье из ковкого чугуна (около 8 %), медных, алюминиевых, титановых, цинковых сплавов.

Существует несколько способов заливки металла в формы: сво­бодная заливка (металл занимает форму под действием гравитацион­ных сил); заливка во вращающуюся форму (металл занимает форму под влиянием центробежной и гравитационной сил); заливка давле­нием с применением литейных машин; заливка вакуумным всасы­ванием.

Формы для заливки могут быть разовыми и многократными. Разовые формы годны лишь для одной заливки. Многократные металлические формы выдерживают сотни и тысячи заливок; много­кратные песчано-цементные, графитные, керамические формы вы­держивают несколько десятков заливок, они применяются для отливки станин станков, тяжеловесных плит.

«Литье в многократные формы»

Литье в кокиль. Кокиль изготовляют из чугуна или стали. При литье из легких сплавов применяют стальные и чугунные стержни, а в случае литья из стали, чугуна и медных сплавов — песчаные стержни. При относительно легкоплавких сплавах цветных металлов кокиль выдерживает десятки тысяч заливок. Стойкость кокиля при литье стали и чугуна колеблется в пределах от 100 до 5000 заливок в зависимости от размера отливок, поэтому литье в кокиль для крупных стальных отливок выгодно лишь в случав простых форм, когда стоимость изготовления кокиля невелика. Применительно к сплавам цветных металлов и чугуну этот способ выгоден, так как кроме точных размеров отливок достигается улучшение структуры и механических свойств литья. Для литья сложных деталей применяют кокиль из нескольких частей с разъе­мами.

 

 

 

Рисунок 53 Форма для литья

 

На рис. 53 приведена форма, подготовленная к заливке. Она состоит из разъемного кокиля 1, 2, стержня 3 и крышки 4 с отвер­стиями для заливки. Для предотвращения отбела чугуна и разгара кокиля на его поверхность наносят тонкую песчано-смоляную об­лицовку или краску.

В сравнении с литьем в песчано-глинистые разовые формы при литье в кокиль в десятки раз сокращается расход формо­вочных материалов, в 2 раза трудоемкость на выбивку и очистку литья при значитель­ном уменьшении припусков на механиче­скую обработку. Литье в кокиль широко применяют во всех отраслях машиностроения.

Центробежное литье. При центробежном литье металл заливают в форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси, в результате жидкий металл оттесняется центробежной силой к стенкам формы. При этом структура металла получается уплотненной, так как газы и неметаллические включения вытесняются к поверхности, находящейся ближе к центру вращения. Формы вращают до пол­ного затвердевания металла, после чего вынимают готовую отливку.

Рисунок 54 Центробежное литье

 

На рис. 54, а приведена схема машины с горизонтальной осью вращения для получения отливок в виде труб, а на рис. 54, б — схема машины с вертикальной осью вращения для отливок в виде колец. При центробежном способе литья нет литниковой системы, что снижает расход металла.

Литье под давлением. При литье под давлением сплав поршнем машины запрессовывается в разъемную стальную форму, называ­емую пресс-формой. Литье под давлением применяют главным образом для алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, реже для медных сплавов. Детали выходят точными (11—13 квалитеты) и с малой степенью шероховатости. Масса отливок от нескольких граммов до десятков килограммов. Давление поршня при прессова­нии до 200 МПа. Механическая обработка отливок незначительная или вообще не нужна. Стоимость пресс-формы высокая, поэтому литье под давлением применяют в массовом производстве, когда в одной форме получают тысячи отливок. Производительность машин очень высокая — до 3000 отливок в час при работе в автомати­ческом режиме. Машины для литья под давлением имеют холодную или горячую камеру прессования.

Машины с холодной камерой прес­сования применяют для литья алю­миниевых, магниевых и медных сплавов; при этом в камеру зали­вается дозированное количество ме­талла из отдельной печи, после чего производится прессование.

 

 

Рисунок 55 машина с холодной камерой прессования

 

На рис. 55, а приведена рабочая зона машины с холодной камерой прессования 1. При движении вниз плунжер 2 давит на залитую пор­цию металла 3 и на пяту 4, кото­рая перемещается вниз, открывает отверстие литника 5, и металл заполняет пресс-форму. Неподвиж­ная 9 (рис. 55, б) и подвижная 11 части пресс-формы составляют полость, соответствующую отливке. Стержень 10 нужен для обра­зования отверстия. Металл поступает в форму через мундштук 8. Затвердевание отливки длится несколько секунд, после чего форма разнимается и готовая отливка 6 выталкивается из формы толкателем 7.

 

 

Рисунок 56 Машина с горячей камерой

 

Машины с горячей камерой прессования применяют для литья из цинковых сплавов. Камера 4 и тигель 5 (рис. 56) составляют одну чугунную отливку, которая находится в печи; сплав поддержи­вают в жидком состоянии. При поднятом плунжере 3 (как на схеме) сплав через отверстие 2 из тигля переливается в камеру. При дви­жении вниз плунжер перекрывает отверстия и сплав заполняет пресс-форму 1, где и затвердевает. Затем плунжер поднимается и металл из канала сливается в камеру, а пресс-форма раскрывается и отливка выталкивается из нее.

 

«Обработка металлов давлением»

Обработка давлением основана на использовании пла­стичности металлов, т. е. на их способности в определенных условиях воспринимать под действием внешних сил остаточную деформацию без нарушения целостности материала заготовки, поэтому она при­менима лишь к металлам достаточно пластичным.

Пластичнее других металлов свинец, он легко деформируется при нормальной температуре. Олово, алюминий, цинк, железо, низкоуглеродистая сталь также могут быть обработаны давлением без нагрева. Пластичность средне- и высокоуглеродистой сталей и других металлов в холодном состоянии недостаточна; при нагреве до определенных температур их пластичность повышается и способ­ность к деформации возрастает. Некоторые металлы и сплавы (на­пример, марганец, чугун и др.) непластичны даже при нагревании, они остаются хрупкими вплоть до расплавления. Такие металлы не могут обрабатываться давлением.

Основными видами обработки металлов давлением являются прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка.

Все большее распространение получает способ изготовления гнутых профилей из холодной листовой заготовки на специальных профилировочных станах. Этот способ важен, так как дает возмож­ность экономить металл (в сравнении с прокатными профилями) за счет толщины изделий и получать при необходимости сложные профили.

Для пластической (остаточной) деформации металла необходимо напряжение, которое больше предела его упругости и меньше временного сопротивления разрыву (чтобы не получилось тре­щин). Остаточная деформация металла является следствием сдвигов, происходящих внутри и по границам зерен.

 

Рисунок 57 Схема изменения формы зерен

 

На рис. 57, а—д приведена схема изменения формы девяти зерен, взятых из куска металла при его сжатии; при этом на рис. 57, а показаны недеформированные зерна, получающиеся при кристаллизации металла в условиях равновесия, на рис. 57, б —после деформации, равной 50 %; с ростом дефор­мации зерна вытягиваются (рис. 57, в), увеличивается относитель­ный сдвиг слоев кристаллов по плоскостям скольжения. Изменение формы зерен сопровождается дроблением их, образуется слоистая (полосчатая) структура, называемая текстурой деформации. Направление текстуры учитывают при конструировании и соста­влении технологии обработки заготовок, так как текстура опре­деляет анизотропность: наибольшие напряжения на растяжение выдерживаются вдоль волокон, а на срез и сдвиг — поперек во­локон.

Под действием давления сдвиг слоев зерен идет сначала по пло­скостям главного скольжения (легчайшего сдвига), где плотность атомов является наибольшей.

На рис.57, г показано недеформированное зерно 5, увеличенное вдвое по сравнению с его размерами на рис. 57, а, а на рис. 57,д —то же зерно после деформации (плоскости главного скольжения показаны прямыми линиями).

С ростом деформации кристаллическая решетка искажается, скольжение по главным плоскостям замедляется и дальнейшая де­формация развивается за счет скольжения по другим плоскостям. В результате атомы перемещаются в пересекающихся плоскостях, что определяет увеличение сопротивления их движению, зерна дро­бятся, металл упрочняется. Кристаллическая решетка в каждом обломке зерна по-своему ориентирована; кроме того, сама решетка искажена в сравнении с равновесной.

 

«Прокатка, прессование и волочение»

Прокатка. Прокатку производят на металлургических и машиностроительных заводах, при этом получают прокат — гото­вые изделия или заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, прессованием (выдавливанием), волочением или реза­нием. В прокат перерабатывают около 80 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов и сплавов. Прокат используют в строительстве, машиностроении и металлообработке.

В зависимости от вида прокат делят на сортовой, листовой, труб­ный, периодический и специальный.

 

Рисунок 58 Виды сортового проката

 

 

На рис. 58 приведены виды сортового проката общего назначения: 1 — квадратный; 2 — круг­лый; 3 — полосовой; 4 — угловой; 5 — двутавровый; 6 — швел­лерный; 9 — тавровый и некоторые виды сортового проката спе­циального назначения — 7 и 8 — рельсовый; 10 — шпунтовый; 11 — полоса для башмаков гусениц тракторов; 12 — полоса для ободьев колес автомобилей.

Трубы в зависимости от технологии их производства делят на бесшовные и сварные. К специальным видам проката относят весьма широкий ассортимент продукции: цельнокатаные колеса для ваго­нов, бандажи, оси, валы, шары, зубчатые колеса, сверла и многое другое.

Для прокатки нагретые или холодные заготовки пропускают между вращающимися валками прокатных станов. Существуют три основные вида прокатки: продольная (для сортовых и фасонных профилей), поперечная и поперечно-винтовая (для тел вращения).

При продольной прокатке валки вращаются в разные стороны, деформируя заготовку, толщина (высота), которой умень­шается, а длина и ширина увеличиваются.

При поперечной прокатке валки вращаются в одном направле­нии и оси их параллельны, а заготов­ка деформируется ими при вращении вокруг своей оси.

Методом поперечной прокатки получают, например, зубчатые колеса и звездочки цепных передач на специальных станках с зуб­чатыми валками.

Поперечно-винтовая (косая) прокатка широко применяется при производстве бесшовных труб из сплошной заготовки. Валки вращаются в одном направлении, а оси их расположены под некоторым углом, поэтому заготовка при об­работке не только вращается, но также и перемещается вдоль своей оси. Для получения правильной формы и гладкой поверх­ности отверстия трубы (гильзы) в зоне образования отверстия уста­навливается оправка 3. Полученные на прошивном стане гильзы раскатываются на трубопрокатных станах. Метод поперечно-винто­вой прокатки применяют также для производства шаров, осей и дру­гих изделий с использованием специально калиброванных валков.

Прессование (выдавливание). При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получают изделие с сечением в форме отверстия. Прессуют медь, свинец, алюминий, цинк, магний и их сплавы, а также сталь из мерных заготовок, нарезанных из сортового проката. Все металлы и сплавы, кроме свинцовых, прессуют горячими. Существуют два вида прессо­вания — прямое и обратное.

 

 

Рисунок 59 Прессование

При прямом прессовании (рис. 59, а) заготовку 2 закладывают в контейнер 3, укрепленный на раме 1 гидравлического пресса; туда же закладывают пресс-шайбу 4. На плунжере 6 пресса укреплен пуансон 5, который давит на пресс-шайбу, в результате чего металл заготовки вытекает через отверстие матрицы 7 в виде прутка. Давле­ние прессования достигает 100 МН.

При обратном прессовании (рис. 59, б) заготовка находится в глухом контейнере и остается при прессовании неподвижной, а прессуемый металл при движении матрицы вытекает навстречу ей. Обратное прессование требует меньших усилий и остаток металла в контейнере здесь меньше, чем при прямом прессовании, однако в силу меньшей деформации прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла.

Прутки сплошного сечения получают как прямым, так и обратным прессованием. Прессование труб (рис. 59, в) производят только прямым методом, при этом заложенный в контейнер 9 слиток 10 предварительно обжимается пресс-шайбой 11, а затем прошивается дорном 8, конец которого доходит до отверстия матрицы 12. При прессовании металл вытекает из кольцеобразного калибра, соста­вленного отверстием матрицы и дорном, в результате чего обра­зуется труба.

Волочение. Волочение применяют преимущественно для изготов­ления проволоки диаметром от 0,002 до 4 мм, а также для калибро­ванных прутков и тонких труб из катаной или прессованной за­готовки.

Рисунок 60 Волочение

 

Волочение заключается в протягивании под действием силы Р (рис. 60, а) заготовки (обычно в холодном состоянии) через отверстие, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. Это отверстие называют глазком или очком, а инструмент, в котором сделано несколько глазков — волокой. Если исходное сечение необ­ходимо значительно уменьшить, то волочение повторяется несколько раз (для тонкой проволоки до 17 раз), так как тяговое усилие ограничено прочностью про­волоки и вытяжкой (отно­шением площади исход­ного поперечного сечения к конечному), которая за проход от глазка к глаз­ку колеблется от 1,05 до 1,5.

Волочение труб производят следующим способом: без оправки (рис. 60, б) с целью уменьшения диаметра трубы; на длинной оправке (рис. 60, г), движущейся вместе с трубой, когда требуется уменьшить главным образом толщину
стенки; на неподвижной пробке при короткой оправке (рис. 60, в) для уменьшения наружного и внутреннего диаметров трубы и толщины стенки, при этом достигается наилучшая обработка внутненней поверхности трубы;

или с той же целью (главным образом при производстве труб из меди и ее сплавов) на свободной (плавающей) оправке (рис. 60 д) без ограничения длины трубы.

Для волочения прутков и труб больших сечений волоки изгото­вляют из инструментальной углеродистой и легированной стали.

Волоки из твердых сплавов применяют при волочении стальной проволоки диаметром до 0,5 мм; проволоку меньшего диаметра воло­чат через рубиновые или алмазные фильеры. Уменьшение трения при волочении достигается смазыванием.

В волоке изделия наклёпываются, что приводит к их упрочнению. Если наклеп нежелателен, изделия отжигают. При большом числе пропусков отжиг повторяют несколько раз. Прокатанную заготовку перед волочением также отжигают и очищают от оксидов трав­лением.

Волочильные станы состоят из двух основных частей: станины с держателями для волоки и тянущего устройства для протягивания заготовки через волоку. Тянущие устройства бывают с прямолиней­ным движением обрабатываемой заготовки (цепные, реечные, винто­вые, гидравлические) для волочения прутков и труб с тяговым уси­лием до 1500 кН и барабанные с наматыванием проволоки.

 

«Ковка и штамповка»

Ковка. Ковкой называется обработка металла, находя­щегося в пластическом состоянии под действием бойков молота (динамическое воздействие) или пресса (статическое воздействие) с использованием при надобности подкладного инструмента. Изделие, получаемое ковкой, называют поковкой. Поковки могут иметь самую разнообразную форму и массу от нескольких граммов до 350 т и более. Большие поковки получают непосредственно из слит­ков, поковки средних и малых размеров — из прокатных заготовок.

Ковку применяют в условиях единичного и мелкосерийного производства. Заготовку куют между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота или пресса. Контактирующие с заготовкой поверхности бойков и подкладных инструментов опре­деляют направление деформации (течения) металла заготовки.

 

 

Рисунок 61 Ковка

 

На рис. 61, а—д показаны некоторые подкладные инструменты: топор (а), раскатка (б), обжимка (в). При ковке выполняется про­тяжка, осадка, гибка, пробивание или прошивание отверстий, вы­глаживание, рубка.

При протяжке длина заготовки увеличивается за счет уменьше­ния ее поперечного сечения. Вначале куют на квадрат, что дает наибольшую скорость деформирования, после чего (если нужно) скругляют заготовку или формуют. Для протяжки заготовку кладут поперек бойков, передвигая ее и кантуя на 90° после каждого об­жатия. Чтобы ускорить протяжку, применяют закругленные бойки (рис. 61, г) и раскатки (рис. 61, д), увеличивающие удлине­ние за одно обжатие.

При осадке поперечное сечение заготовки увеличивается за счет высоты. Осадку не всей заготовки, а лишь ее части называют вы­садкой.

Для гибки нужен местный нагрев заготовки; для получения одинакового сечения по длине заготовки в месте изгиба предвари­тельно делают высадку. Для гибки заготовку зажимают между бойками молота.

Для выглаживания крупных поковок производят легкие удары бойка молота, мелкие поковки выглаживают гладилками. Для отделки применяют также подходящие обжимки.

Штамповка. Производительность штамповки в десятки раз больше, чем ковки, кроме того, при штамповке достигается значи­тельно большая, чем при ковке, точность размеров и малая шеро­ховатость поверхности. Так, нередко после штамповки изделия не требуют механической обработки. Однако штамповка выгодна лишь при массовом и крупносерийном производстве, когда окупаются затраты на изготовление сложных форм (штампов). Штамповка бы­вает горячей и холодной, объемной и листовой.

 

 

 

Рисунок 62 Штамповка

 

Штамповка на молотах — наиболее распространенный способ горячей штамповки. Штамп (рис. 62, а) состоит из двух частей: верхней 1 и нижней 2. Нагретая заготовка помещается в нижнюю полость штампа. При ударах верхней части штампа металл течет и заполняет ручей. Излишки металла выдавливаются из ручья в кольцеобразную полость, в результате чего образуется так называ­емый облой (заусенец) 3 (рис. 62, б), который обрезают затем в спе­циальном обрезном штампе.

Горячая листовая штамповка применяется для листов толщиной свыше 6 мм при производстве котлов, аппаратов для химической промышленности, в судостроении. Штамповку производят главный образом на гидравлических листоштамповочных прессах с уси­лием 2—12 МН, а мелких изделий — на фрикционных винтовых прессах.

Холодная листовая штамповка применяется для изделий из листов стали, алюминия и его сплавов, меди, латуни, сплавов магния. Ниже приведены главные операции листовой штамповки.

 

Рисунок 63 Холодная листовая штамповка

 

Вырубка производится для изготовления из листа плоских изде­лий с любой формой контура (круг, квадрат, овал), а также для пробивки отверстий. Штампы для вырубки и пробивки имеют ма­трицу 4 (рис. 63, а) и пуансон 1, который при движении вниз острыми краями рабочего контура срезает часть заготовки; при обратном движении остаток заготовки 3 упирается в съемник 2 и снимается с пуансона.

Разделительной операцией является также отрезка, она произ­водится на ножницах (параллельных, гильотинных, дисковых).

Вытяжкой получают полые изделия из листовой заготовки. За­готовку диаметром D кладут в выточку матрицы (рис. 63, б) и вы­тягивают пуансоном в стакан (рис. 63, в). Чтобы не срезать за­готовку, края пуансона скругляют. Если зазор а между матрицей и пуансоном равен толщине заготовки, то толщина стенок изделия остается такой же, если этот зазор меньше, то стенки становятся тоньше.

На рис.63, г приведен пример отбортовки, которая заключается в образовании в изделии с пробитым отверстием d отверстия боль­шего диаметра D с бортами высотой Н. Отбортовка выполняется пуансоном при креплении заготовки в кольцеобразной выточке матрицы.

При раздаче (рис. 63, е) увеличивается размер сечения заготовки.