Обработкой металлов давлением (ОМД) называют технологический процесс изготовления заготовок или деталей целенаправленным пластическим деформированием исходного металла после приложения внешних сил. Исходными материалами для ОМД являются слитки или заготовки черных и цветных металлов различных размеров и массы.
Обработка металлов давлением подразделяется на горячую и холодную. Холодная обработка проводится при температуре ниже, а горячая - при температуре выше температуры рекристаллизации металла заготовки. Нагревание металла повышает его пластичность и снижает твердость, поэтому деформирование в горячем состоянии требует приложения меньших внешних сил, чем деформирование того же металла в холодном состоянии. Горячую деформацию целесообразно применять при обработке трудно деформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла:
В результате ОМД физико-механические свойства металла, как правило, улучшаются. Крупные кристаллиты, характерные для металла в литом состоянии, измельчаются и удлиняются в направлении наибольшего течения металла, структура металла становится более равномерной и мелкозернистой. Происходит заварка пустот и уменьшение рыхлости. Неметаллические включения также дробятся и вытягиваются в виде цепочек. Образуется волокнистая структура, обусловливающая анизотропию свойств деформированного металла. При этом показатели прочности в разных направлениях отличаются незначительно, а показатели пластичности и ударная вязкость вдоль волокон значительно выше, чем поперек их.
а) Рис 190. б)
Точечный (а) и кованый (б) силовые болты
У металла, деформированного в холодном состоянии, твердость, прочность, упругость, износостойкость увеличиваются, а пластичность, вязкость, коррозионная стойкость и электропроводность уменьшаются. Волокнистое строение деформированного металла используют для улучшения эксплуатационных свойств деталей. Зная характер нагружения отдельных элементов деталей, можно еще при изготовлении заготовок придавать волокнам наивыгоднейшую структуру и этим обеспечивать большую работоспособность кованый деталей. Например, показанный на (рис. 190, б) болт, изготовленный с соблюдением данного принципа, прочнее болта, выточенного из прутка (рис.190, а).
Основными способами обработки металлов давлением является прокатка, прессование, волочение, ковка, объемная штамповка, листовая штамповка.
Прокатка - наиболее распространенный вид обработки металлов давлением. Более 80% выплавляемой стали в нашей стране обрабатывают в прокатных цехах. Под прокаткой понимается деформация материалов с помощью вращающихся валков.
При продольной прокатке (рис. 191, а) заготовка 2 под действием сил трения втягивается в зазор между вращающимися валками 1, расстояние между рабочими поверхностями которых меньше высоты заготовки. В результате этого толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличиваются. Почти 90% всего проката производится продольной прокаткой, в том числе весь листовой и профильный прокат.
При поперечной прокатке (рис.191, б) валки 1,вращаясь в одном направлении, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее. Поперечную прокатку используют главным образом для получения специальных периодических профилей.
При поперечно-винтовой прокатке (рис. 191, в) заготовка 2 деформируется между валками 1, расположенными под углом друг к другу. Такое расположение вращающихся в одном направлении валков придает прокатываемому металлу вращательное и поступательное движение. Поперечно-винтовую прокатку широко применяют для получения пустотелых трубных заготовок. Оправка 3 служит для образования полости.
а) б) в)
Рис.191. Схемы прокатки.
Сортамент стального проката делится на следующие группы: сортовой прокат простого (рис.192 , а) и фасонного (рис. 192, б) профилей; листовой прокат, который делится на толстолистовую сталь толщиной свыше 4 мм и тонколистовую толщиной 0,2...4 мм; трубы бесшовные и сварные различного диаметра с разной толщиной стенок, разнообразного назначения; специальный прокат, включающий в себя вагонные колеса, шпунтовые сваи, автообода, бандажи, гнутые профили и т.д.; периодический прокат (рис. 192, в) - прокат с периодически изменяющимся по длине профилем. Он используется в качестве заготовок для штамповки для механической обработки.
Существуют также специально разработанные сортаменты для выпуска проката из цветных металлов и сплавов - меди, алюминия, латуни, дюралюминия в виде листов, лент, фольги, труб, прутков и других изделий. Ленты - плоские изделия толщиной до 2 мм. Длина лент обычно составляет не менее 40...70 м, и они свертываются в рулоны. Полосы занимают промежуточное положение между листами и лентами и не имею строгого допуска по длине. Фольга - это особо тонкая холоднокатаная лента толщиной менее 0,2 мм (до 0.002 мм), получаемая холодной прокаткой.
Прокатка металлов осуществляется на прокатных станах. Основными рабочими элементами прокатных станов являются валки, имеющие цилиндрическую форму. Валки размешаются в основной части прокатного стана - рабочей клети. Рабочая часть валка называется бочкой. Бочки могут быть гладкими или ручьевыми. Первые применяют для прокатки листов, полос и лент, а вторые - для сортового металла. Ручьи представляют собой кольцевые вырезы па поверхности валка. Совпадающие ручьи верхнего и нижнего валков образуют калибры, с помощью которых сортовому прокату постепенно придаются требуемые профили.
а) Сортовой прокат б) фасонный прокат в) периодический прокат
Рис.192. Сортамент стального проката.
Процесс прессования заключается в выдавливании из замкнутого объема материала заготовки в нагретом состоянии через отверстие, форма и размеры которого подобны форме и размерам поперечного сечения требуемого изделия. Процесс используется для получения готовых изделии в виде прутков, труб, фасонных профилей, панелей (рис 193), а также служит заготовительной операцией для получения разнообразной металлопродукции волочением, прокаткой, ковкой и штамповкой.
Различают прямой и обратный методы прессования. При прямом прессовании (рис. 194, а) матрицу 2 с выходным отверстием монтируют с одной стороны контейнера 4, а деформирующий пуансон 6 с пресс - шайбой 5 - с другой стороны. При работе пресса пуансон через пресс-шайбу давит на заготовку 3, что приводит к вытеснению металла из контейнера через выходное отверстие матрицы. Направление истечения металла совпадает с направлением перемещения пуансона. При обратном прессовании пуансон делают полым (рис. 194, б), на его торце крепят матрицу. Истечение металла заготовки происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей. Обратное прессование по сравнению с прямым требует меньших усилии, так как отсутствует трение металла заготовки о стенки контейнера, однако конструкция прессов усложняется, поэтому этот метод имеет ограниченное применение.
При прессовании труб заготовка предварительно прошивается стальной иглой. Передний конец иглы входит в отверстие матрицы, в результате чего в отверстии образуется кольцевой зазор. Прессованием металл заготовки выдавливается через этот зазор и принимает форму трубы.
Рис.193. Профили изделий, полученных прессованием
Рис.194. Схемы прессования: 1-пруток; 2-матрица; 3-нагретый слиток; 4-контейнер; 5-пресс-шайба; 6-пуансон.
Достоинством прессования является возможность изготовления профилей сложных форм с высокой точностью размеров и качеством поверхности, которые не могут быть получены другими видами обработки металлов давлением. Недостатком процесса является большая доля неизбежного пресс-остатка металла заготовки в контейнере, идущего в отход (до 40%).
Основным оборудованием для прессования являются вертикальные и горизонтальные гидравлические прессы.
Волочение- обработка металлов давлением, состоящая в протягивании заготовки постоянного поперечного сечения через отверстие (фильеру) волочильного инструмента (волоки), площадь выходного, сечения которого меньше площади сечения исходной заготовки. Волочение осуществляют обычно в холодном состоянии. В результате волочения изменяется профиль, поперечные размеры изделия, а длина увеличивается (рис. 195, а).
Перед волочением передний конец заготовки 1 заостряют, с таким расчетом, чтобы он свободно входил в отверстие волоки 2 и частично выступал с ее противоположной стороны. Этот конец захватывают тянущим устройством 3, и заготовку с добавлением обильного смазочного материала протягивают усилием Р через рабочий канал инструмента. Если исходное сечение необходимо значительно уменьшить, то операцию протягивания повторяют несколько раз, причем каждый раз через отверстие меньшего размера.
Рис.195. Схема волочения трубы (а) и примеры профилей, полученных волочением (б).
Сортамент изделии, изготавливаемых волочением разнообразный: прутки, профили, трубы, проволока диаметром от 0.002 мм (рис. 195, б). Волочением обеспечивают высокую точность размеров и низкую шероховатость поверхности изделий. Этим способом калибруют трубы диаметром от капиллярных до 200 мм, стальные прутки диаметрами 3...150 мм.
Волоки изготавливают цельными, составными, регулируемыми и роликовыми. Материалом для них служат инструментальные стати, металлокерамические сплавы и технические алмазы (для волочения проволоки диаметром менее 0,2 мм). Волочение производится на волочильных станах и машинах. На (рис. 196) показана схема шестифильерного волочильного стана для получения проволоки. Ведущие (подающие) ролики используются для создания тяговой силы и одновременно служат подающей катушкой для следующей волоки стана.
Рис.196.Схема волочильного стана: 1-подающая катушка; 2-калибруемая проволока; 3-направляющие; 4-фильеры; 5-трубки для подачи жидкого смазочного материала;6- подающие ролики; 7-приемная катушка
Ковка- способ обработки металла, при котором нагретая заготовка подвергается многократному прерывистому динамическому или статическому давлению инструментом, в результате чего она постепенно приобретает заданную форму и размеры. Изделие, полученное в результате ковки, называется поковкой. Исходными заготовками для получения поковок являются слитки, болванки, сортовой и периодический прокат. Ковкой обрабатывают черные и цветные металлы.
Существуют свободная ковка и ковка в штампах (объемная штамповка).
Свободная ковка состоит в том, что происходящая пластическая деформация нагретого металла управляется, в основном, искусством оператора-кузнеца, от которого требуется высокая квалификация. Свободную ковку, осуществляемую с применением молота или пресса, называют машинной свободной ковкой. Ручную свободную ковку применяют только для штучного изготовления мелких поковок.
Технологический процесс изготовления поковок складывается из отдельных операции-осадки, протяжки (вытяжки), гибки, закручивания, пробивания отверстий, отрубки и др. При этом используют относительно несложный универсальный кузнечный инструмент. В единичном и мелкосерийном производстве ковка обычно экономически целесообразна.
Недостатками свободном ковки являются низкая производительность процесса, невысокая точность размеров, грубая поверхность поковок, большие припуски на механическую обработку.
При объемной штамповке формирование детали осуществляется деформированием металла исходной заготовки 2 в полостях инструмента - штампа, называемых ручьями (рис. 197). Объемная штамповка имеет ряд преимуществ по сравнению со свободной ковкой: достигается более высокая производительность труда, уменьшаются отходы металла, обеспечивается более высокая точность изделия при лучшем состоянии его поверхности. Этот способ ОМД целесообразен при изготовлении большого числа одинаковых поковок ввиду высокой стоимости стальных штампов.
Объемная горячая штамповка может быть осуществлена в открытых и закрытых штампах. В первом случае (рис.197 , а) в штампе по периметру ручья на стыке нижней 4 и верхней 1 частей штампа выполняется облойная (заусеничиая) канавка 3. При штамповке в нее вытекает часть металла - облой (заусенец) 5, который затем обрезают. Отход металла в облой составляет в среднем 15% массы поковки. В закрытых штампах (рис.
197,б) облойных канавок нет.
а) б)
Рис.197. Шестерни в одноручьевом штампе Листовая.
При безоблойной штамповке расход металла уменьшается, поковки имеют более благоприятную макроструктуру металл
и большую точность размеров. Однако закрытые штампы дороги и быстро выходят из строя.
Несложные заготовки штампуются в одноручьевых штампах, сложные - в многоручьевых, в которых при переходе от ручья к ручью поковка постепенно приобретает требуемые размеры и форму. Объемная штамповка производится с помощью ковочных, штамповочных молотов и прессов, а также машин для специализированных процессов штамповки. Штамповка - метод изготовления плоских и пространственных тонкостенных изделий из листового материала, ленты или полосы с помощью штампов па прессах или без применения прессов (беспрессовая штамповка). Листовая штамповка может производиться в холодном состоянии и с нагреванием. Толщина заготовки при холодной штамповке не более 10 мм.
Заготовки толщиной более 5 мм штампуют обычно и горячем состоянии.
Рис. 198. Схема операции вытяжки: 1-матрица; 2-пуансон; 3-заготовка
Наиболее распространена холодная листовая штамповка. При листовой штамповке используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, цветные металлы и сплавы. Изделия получают с малыми допусками при высоком качестве поверхности. В большинстве случаев холодно-штампованные изделия не требуют последующей механической обработки.
Простая штамповка осуществляется операциями вырубки, вытяжки, гибки и др. Вырубка применяется для изготовления деталей плоской формы. Вытяжка представляет собой сложный процесс деформирования, при котором плоская заготовка превращается в полое изделие. Схема операции вытяжки в вытяжном штампе показана на (рис.198) .
Штампы для листовой штамповки по своему назначению подразделяются на вырубные, отрезные, пробивные, обрезные, гибочные, вытяжные, рельефные, отбортовочные, формовочные и обжимные. Большую группу составляют специальные штампы для получения поковок посредством применения резины, жидкостей, газов, сыпучих тел и взрывчатых веществ. При штамповке, например, резиной листовую заготовку помещают на шаблон. Давление пресса через резиновый вкладыш придают листу рельеф шаблона.
Сложная штамповка состоит из комбинации отдельных операций.
Для листовой штамповки применяют кривошипные и гидравлические прессы различной конструкции.