Технология обработки металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Содержание

1. Общая характеристика методов обработки металлов давлением

2. Физико-механические основы обработки давлением

2.1 Основные факторы, влияющие на пластичность металла

2.2 Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

3. Нагрев металлов перед обработкой давлением

4. Изготовление машиностроительных профилей

4.1 Прокатка металлов

4.2 Волочение

4.3 Прессование

4.4 Изготовление машиностроительных заготовок

4.5 Штамповка

4.6 Холодная штамповка

4.7 Оборудование для холодной штамповки

Литература

1. Общая характеристика методов обработки металлов давлением

В основе процесса обработки металлов давлением (ОМД) лежит использование одного из важнейших свойств металлов - пластичности, т.е. способности металла к необратимому изменению формы и размеров тела под действием внешних сил без нарушения его целостности, которое сопровождается изменением структуры и механических свойств металла. Таким образом, сущность процесса ОМД состоит в том, что получение заготовок деталей, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых размеров и формы достигается пластическим перемещением (сдвигом) частиц металла. В этом её основное отличие и преимущество по сравнению с обработкой резанием, при которой готовая деталь получается удалением части заготовки. Поэтому ОМД - малоотходное производство. Кроме того, ОМД является высокопроизводительным процессом. Указанные особенности обусловили непрерывное возрастание роли ОМД в машиностроении. В настоящее время обработке давлением подвергают около 90% всей выплавляемой стали и более 50% цветных металлов.

Основными видами ОМД являются: прокатка, прессование, волочение, свободная ковка, объемная и листовая штамповка.

В настоящее время свыше 80% стали идет на прокатку и около 15% на все остальные виды ОМД. Процессы ОМД хорошо поддаются механизации и автоматизации. Поэтому они находят широкое применение в массовом производстве

2. Физико-механические основы обработки давлением

При воздействии на металл заготовки внешних сил он деформируется. Сначала в металле возникает упругая деформация. При увеличении действующих сил упругая деформация переходит в пластическую. Особенностью пластической деформации является то, что после снятия нагрузки она не исчезает, в отличие от упругой деформации, исчезающей при снятии внешних сил. В результате возникновения в заготовке пластической деформации первоначальные размеры и форма заготовки после снятия нагрузки не восстанавливаются.

Пластическая деформация заключается в перемещении атомов металла относительно друг друга на расстояния больше межатомных из одних равновесных положений в новые. При перемещении атомов в одной кристаллографической плоскости без изменения расстояния между этими плоскостями силовое взаимодействие атомов не исчезает, и деформация протекает без нарушения сплошности тела.

Основным видом пластической деформации является скольжение. При скольжении происходит параллельное смещение отдельных частей кристаллов по определённым кристаллографическим плоскостям - плоскостям скольжения. В результате скольжения отдельные части кристаллита могут смещаться на расстояния, во много тысяч раз превышающие величину межатомных расстояний.

Если представить пластическую деформацию как одновременное перемещение всех атомов в плоскости скольжения (синхронный или жесткий сдвиг), то, как показывают расчеты, на это потребовались бы очень большие напряжения. В реальных металлах пластическая деформация происходит при напряжениях меньше теоретических в сотни и тысячи раз. Это объясняется исходя из дислокационного механизма пластического деформирования.

По современным представлениям пластическая деформация происходит под действием напряжений в результате последовательного перемещения небольшого числа атомов в области дислокации или иначе, перемещения дислокаций.

Процессу пластического деформирования свойственны следующие закономерности:

1 При ОД объем металла практически не изменяется:

V_{деф. тела} = V_{тела до деф.}

2 При ОД металл течет в сторону наименьшего сопротивления.

3 Деформирование происходит в результате действия внутренних напряжений, возникающих на плоскостях скольжения.

2.1 Основные факторы, влияющие на пластичность металла

Величина пластической деформации не безгранична, при определённых её значениях начинается разрушение металла.

Величина предельной деформации зависит от пластичности металла и на неё оказывают влияние многие факторы.

Влияние химического состава. Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Компоненты сплава оказывают различное влияние на его пластичность. В стали углерод и кремний снижают пластичность. Сера вызывает красноломкость, фосфор - хладноломкость. Марганец нейтрализует вредное действие серы. В легированных сталях Cr и W снижают пластичность, а Ni, Mo и V - повышают.

Влияние температуры. По мере повышения температуры нагрева пластичность металла обычно возрастает, а прочность уменьшается. В то же время для углеродистых сталей характерно наличие интервала синеломкости (при температуре 100…400 ⁰С)

Влияние скорости деформации. Скорость деформации - изменение степени деформации в единицу времени d/dt. В общем случае с увеличением скорости деформации предел текучести возрастает, а пластичность падает. Особенно резко падает пластичность высоколегированных сталей, магниевых и медных сплавов. Для каждого сплава существует определённая критическая скорость деформации, превышать которую не рекомендуется. Это необходимо учитывать, т.к. при некоторых видах ОМД развиваются значительные скорости деформации (на прессах и ковочных машинах - 0,1…0,5 м/с, на молотах - 5…10 м/с, при штамповке на высокоскоростных молотах - 20…30 м/с). Механические свойства металлов определяются при скоростях деформирования до 10 м/с.

Влияние напряженного состояния. Деформируемое состояние металла характеризуется схемой приложенных напряжений. При этом, чем больше напряжение сжатия и меньше напряжения и деформации растяжения, тем выше пластичность обрабатываемого металла. Наибольшей пластичностью обладает металл в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Схемы напряженного состояния в различных процессах обработки давлением различны, вследствие чего для каждого процесса и температурно-скоростных условий различна величина предельной деформации.

2.2 Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

С увеличением степени деформации заметно увеличиваются прочность и твёрдость металла, пластичность и вязкость при этом снижаются; возрастают остаточные напряжения. Происходит упрочнение металла. Такое упрочнение металла, наблюдаемое при пластической деформации, носит название наклепа. При этом пластические свойства могут снизиться настолько, что дальнейшая деформация вызовет разрушение. Металл при наклёпе характеризуется значительно искаженной кристаллической решеткой. Структура наклепанного металла приобретает волокнистое строение. Такую структуру ещё называют полосчатой, т.к. для неё характерны вытянутые в направлении наибольшей деформации строчки неметаллических включений. Для волокнистой структуры свойственна анизотропия механических свойств (в поперечном направлении пластические и вязкие свойства металла заметно выше, в то время как характеристики прочности отличаются незначительно). Изменения структуры и свойств металла после наклёпа не являются не обратимыми. Наклёп может быть снят при нагреве металла до температур, составляющих более 0,4Т_пл. При этом образуются новые равноосные зёрна, и свойства металла восстанавливаются. Этот процесс носит название рекристаллизации, а наименьшая температура, при которой начинается процесс рекристаллизации и разупрочнения металла, называется температурой рекристаллизации. Для чистых металлов она составляет 0,4Т_пл, для сплавов эта температура выше. Для повышения пластичности и уменьшения прочности металла применяют рекристаллизационный отжиг.

Холодная и горячая деформация - различается в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования. При этом могут происходить два противоположных процесса: упрочнение, вызываемое деформацией, и разупрочнение металла, обусловленное рекристаллизацией.

В соответствии с этим холодное деформирование производится при температурах ниже температуры рекристаллизации и сопровождается наклепом металла. Деформирование заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения металла (горячий наклёп) и рекристаллизации.

При этом горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всём объеме заготовки, и микроструктура получается без следов упрочнения. Для протекания горячей деформации с увеличением скорости деформирования увеличивают и температуру нагрева заготовки. В противном случае металл будет иметь не полностью рекристаллизированную структуру (неполная горячая деформация), это приводит к снижению механических свойств и пластичности.

При горячей деформации пластичность металла выше, а сопротивление деформации приблизительно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно использовать при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также крупногабаритных литых заготовок.

В то же время использование холодной деформации позволяет получить лучшее качество поверхности и большую точность размеров заготовки (вследствие отсутствия на поверхности слоя окалины), а также сократить продолжительность технологического цикла и повысить производительность труда.

Получение наилучших экспериментальных свойств деталей может быть достигнуто рациональным сочетанием холодной и горячей деформации, а также выбором числа и режимов обработки в процессе изготовления.

давление металл прокатка штамповка

3. Нагрев металлов перед обработкой давлением

Перед обработкой давлением металл обычно нагревают. Это повышает пластичность металла и уменьшает его сопротивление деформированию.

Для получения металла существует такой температурный интервал, в котором обеспечиваются оптимальные условия горячей обработки давлением. Нагрев металла сопровождается таким рядом явлений, которые необходимо учитывать при выборе температуры нагрева.

1 Окисление металлов. При нагревании стали выше 700 ⁰С происходит интенсивное окисление поверхностного слоя с образованием окалины (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO). Потери металла на окалину при однократном нагреве в пламенной печи составляют 1,5…2,5%, при электронагреве - 0,4…0,5%. Образование окалины, которая отличается повышенной твердостью, кроме того, повышает износ деформирующего инструмента.

Наряду с окислением при высоких температурах вследствие выгорания углерода происходит обезуглероживание поверхностного слоя стали.

Для уменьшения окисления металла применяют электронагрев или нагрев в защитной атмосфере.

2 Перегрев и пережог - явления, связанные с нагревом металла до высоких температур. При нагреве стали до температуры, близкой к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ и расплавления легкоплавких межзёренных прослоек. При этом происходит полная потеря пластичности, что приводит к появлению трещин. Пережог исправить нельзя, и такой металл приходится отправлять на переплавку.

Ниже температуры пережога находится температура перегрева. Явление перегрева заключается в интенсивном росте размеров зерен. Перегретая сталь характеризуется более низкими механическими свойствами (уменьшением пластичности до 25%). Структуру перегретой стали в большинстве случаев можно исправить отжигом.

Температурный интервал горячей обработки давлением. Максимальная температура нагрева (температура начала обработки давлением) должна быть возможно более высокой, но не вызывающей перегрева и пережога. Температура окончания обработки давлением должна быть выше температуры рекристаллизации и фазовых превращений. Для углеродистых сталей с 0,2…0,7% С температурный интервал - 1280…800 ⁰С; для сталей с 0,8…1,3% С - 1100…760 ⁰С; дуралюмина - 470…400 ⁰С; титановых сплавов - 1100…900С.

Режим нагрева. Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до заданной температуры. В противном случае в заготовке возникают термические напряжения (вследствие разности температур по сечению) которые могут привести к появлению трещин. Разность температур по сечению заготовки увеличивается с повышением скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева. Для крупных заготовок из высоколегированных сталей (массой до 40 т) время нагрева составляет более 24 часов. Чаще крупные заготовки нагревают постепенно (методически) в два этапа: медленный нагрев и выдержка при 700…800 ⁰С, а затем нагрев до необходимой температуры с максимально возможной скоростью.

Нагревательные устройства можно подразделить:

1 Нагревательные печи (для нагрева слитков, крупных и иногда средних)

2 Электронагревательные устройства (для нагрева мелких и средних заготовок)

Нагревательные печи (пламенные на мазуте или газообразном топливе и электрические, используемые в основном для цветных сплавов) по их принципу действия делятся на камерные и методические.

Камерная печь - наиболее распространенный вид печи. Рабочее пространство печи нагревается при сжигании топлива и имеет одинаковую по всему объему температуру. Заготовки устанавливаются на под печи, загружаются и выгружаются через окно. Продукты сгорания отводятся через дымоход и используются для нагрева поступающего в печь воздуха (это позволяет экономить до 25% топлива).

Для нагрева крупных заготовок используют печи с толкателями, карусельные, конвейерные, с выдвижным подом, т.е. оборудованные устройствами для загрузки и выгрузки заготовок.

Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, применяемые для нагрева крупных слитков при прокатке и ковке.

Методическая печь - предназначена для нагрева крупных заготовок под прокатку в крупносерийном производстве. Заготовки при этом загружают с одной стороны печи, перемещают по поду и выгружаются с другой стороны печи нагретыми. В печи различают три зоны с различной температурой: I - 600…800 ⁰С (зона подогрева); II - 1350 ⁰С (зона максимального нагрева); III - 1200…1300 ⁰С (зона выдержки). В зоне выдержки происходит выравнивание температуры по сечению заготовки.

Электронагревательные устройства по принципу действия подразделяются на индукционные и электроконтактные. Применяют только при необходимости нагрева достаточно большого количества одинаковых заготовок. Скорость электронагрева в 8…10 раз выше, а интенсивность образования окалины в 4…5 раза ниже, чем в печах.

4. Изготовление машиностроительных профилей

4.1 Прокатка металлов

Прокатке подвергается до 90% всей выплавляемой стали и большая часть цветных металлов.

Сущность процесса заключается в пластическом деформировании металла при пропускании заготовки между вращающимися валками прокатного стана. Металл деформируется на небольшом участке, называемом зоной или очагом деформации - часть объема, заключенного между валками. В процессе прокатки уменьшается толщина заготовки при одновременном увеличении ее длины и ширины, т.е. происходит обжатие, уширение и вытяжка.

Абсолютное обжатие равно разности толщин заготовки до и после прокатки:

h=h₀ - h_1.

Относительное обжатие определяется как, %:

= (h₀ - h₁) 100.

Вытяжка характеризуется отношением полученной длины заготовки L к первоначальной L₀. Это отношение называется коэффициентом вытяжки:

= L/L₀ = F₀/F.

за один проход обычно составляет 1,1…1,6, иногда достигает 2…2,5.

Основные виды прокатки выделяют по взаимному расположению валков и заготовки. Их три: продольная, поперечная и поперечно-винтовая.

При продольной прокатке заготовки перемещаются перпендикулярно осям валков, вращающихся в разные стороны.

При поперечной прокатке валки с параллельными осями вращаются в одном направлении и придают вращение заготовке, которая деформируется, перемещаясь вдоль оси валков.

При поперечно-винтовой прокатке валки располагаются под углом друг к другу и сообщают заготовке вращение и поступательное движение.

Последние два вида применяются при изготовлении изделий с переменным по длине сечением и при прошивке трубных заготовок.

Сортамент проката. Форму поперечного сечения проката называют профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой называют сортаментом. Сортамент регламентируется ГОСТ (где приведены площадь поперечного сечения, размеры, масса 1 м длины, допустимые отклонения от номинальных размеров) и разделяется на четыре группы: сортовой, листовой прокат, трубы, специальные виды проката.

Сортовой прокат делят на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и т.д.).

Цветные металлы и их сплавы прокатывают преимущественно на простые профили.

Листовой прокат подразделяется на тонколистовой (менее 4 мм толщиной) и толстолистовой (4…160 мм) листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой. Все шире используется прокат с различными видами покрытия (Sn, Zn, Al, пластмасса).

Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные прокатывают 30…650 мм с толщиной стенки 2…160 мм; сварные - 5…2500 мм с толщиной стенки 0,5…16 мм.

Кроме того, выпускают трубы фасонные и переменного сечения.

К специальным видам проката относят вагонные и другие колеса (например, зубчатые), кольца, шары, периодический прокат и гнутый профиль.

Прокатные валки - инструмент прокатки. Могут быть:

1) гладкими - для прокатки листов, лент и т.п.;

2) ступенчатыми - для прокатки полосовой стали;

3) ручьевыми - для прокатки сортового проката.

Ручьем называется вырез на боковой поверхности валка, совокупность двух ручьев образуют калибр.

Валки состоят:

1) бочка (рабочая часть);

2) шейка (цапфа для установки в подшипниках);

3) трефа (для соединения валка с приводом).

Сложные профили получают, пропуская металл через серию калибров. Для рельсов - 9 калибров; для балок - 9…13 калибров; для проволоки - 15…19 калибров;

Разработку системы последовательных калибров называют - калибровкой. В зависимости от стадии прокатки различают обжимные, черновые и чистовые (отделочные) калибры.

Прокатные станы - оборудование для прокатки металла.

Стан состоит из одной или нескольких клетей и привода, включающего электродвигатель и передаточный механизм (редуктор, шестерная клеть, шпиндели и муфты).

Рабочая клеть - комплект протяжных валков со станиной.

Прокатные станы классифицируются по трем признакам:

1 По числу и расположению валков в рабочей клети станы различают с горизонтальными валками: двухвалковые (дуо-станы нереверсивные и реверсивные), трехвалковые (трио-станы), четырехвалковые, у которых два валка рабочих и два опорных и многовалковые с двумя рабочими валками, остальные - опорные.

Использование опорных валков позволяет уменьшить диаметр рабочих валков, увеличить вытяжку и снизить усилие деформирования.

Кроме того, существуют универсальные станы, имеющие кроме горизонтальных и вертикальные валки, станы с косо расположенными валками.

2 По числу и расположению клетей станы могут быть одно и многоклетьевыми с линейным и последовательным расположением клетей. Наиболее совершенные - непрерывные станы (многоклетьевые с последовательным расположением клетей).

3 По назначению станы делят на станы для прокатки полупродукта (блюминги, слябинги - обжимные, заготовочные) и станы для производства готового проката (сортовые, листопрокатные, рельсобалочные, трубопрокатные, для специального проката).

Размер обжимных, заготовочных, и сортовых станов характеризуется диаметром бочки (например: блюминг 1500, сортовой стан 350), листовых станов - длиной бочки (например: стан 3600), трубопрокатных - наружным диаметром труб.

Технология производства проката. Изготовление сортового и листового проката включает нагрев заготовок, получение полупродукта на обжимных и заготовочных станах, прокатку на станах готового проката, охлаждение проката, отделку и приемку. Промежуточными операциями могут быть: обрезка концов заготовки, резка её на части, очистка от окалины, а также травление, термическая обработка, правка и т.д. Поэтому технологический процесс может включать несколько промежуточных охлаждений и нагревов заготовок.

Исходным материалом для холодной прокатки листа толщиной менее 1,5 мм обычно служат рулоны горячекатаного листа. При этом для снятия наклепа при производстве тонколистового стального проката применяют промежуточный и последующий отжиг в защитных газах и травление поверхности.

Бесшовные трубы катают на прошивных станах (поперечно-винтовая прокатка), где прошивают отверстие в заготовке, а затем на раскатных и обкатных станах. Окончательная обработка (получение заданных размеров) производится на калибровочных многоклетьевых станах продольной прокатки.

Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки - ленты или из листов. Процесс включает операции: формовку плоской заготовки в трубу, сварку кромок, уменьшение диаметра трубы.

Процессы получения специальных видов проката разнообразны. Большое распространение нашла прокатка периодического профиля и шаров. При этом используется поперечная и поперечно-винтовая схемы прокатки.

4.2 Волочение

Сущность способа заключается в протягивании заготовки через отверстия в матрице (волоке), размеры которого меньше поперечного сечения заготовки. Заготовками служат прокатанные или прессованные прутки и трубы из стали, цветных металлов и сплавов. При протягивании прутка через отверстие с силой P возникают силы реакции N, которые обжимают заготовку. При этом площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Степень обжатия определяется по формуле

Q = ((F₀ - F₁)/F₀)·100%,

где F₀ и F₁ - площадь поперечного сечения, соответственно, до и после волочения.

Допускаемая за один проход степень обжатия зависит от обрабатываемого материала и составляет для сталей 10…19%, для цветных металлов до 36%. Чтобы не было обрывов напряжение при волочении не должно превышать 0,6G_в материала заготовки. Для получения профиля необходимого размера производят волочение за несколько проходов через ряд постепенно уменьшающихся отверстий.

Волочение осуществляется чаще всего в холодном состоянии (исключение составляют W, Mo, Zn), поэтому вызывает упрочнение (наклеп) металла. Для снятия наклепа при волочении в несколько проходов производят промежуточный рекристаллизационный отжиг.

Волочением изготавливают проволоку диаметром 0,002…10 мм, разнообразные профили, калиброванные прутки диаметром 3…150 мм, холоднотянутые трубы диаметром до 500 мм и с толщиной стенки 0,1…10 мм. Волочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения внешнего диаметра) и с оправкой 3 (для уменьшения внешнего диаметра и толщины стенки). Волочение обеспечивает высокую точность размеров и качество поверхности.

Волоку изготавливают из инструментальных сталей, металлокерамических сплавов и технических алмазов. Волоки могут быть цельными и составными. Отверстие волоки состоит из смазочной воронки, рабочего конуса, калибрующего пояска и выходного конуса.

Волочение производят на барабанных и цепных волочильных станах. Барабанные станы служат для волочения проволоки и труб небольшого диаметра, наматываемых в бунты. Существуют станы однократного и многократного волочения. Последние имеют до 20 барабанов с установленными перед каждым волоками. Для уменьшения усилия волочения, износа инструмента и улучшения поверхности изделий применяют смазки: твердые, пластичные и жидкие.

На цепных станах тянущее устройство совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение. Их применяют для волочения прутков и труб, которые нельзя наматывать в бунты.

4.3 Прессование

Прессование заключается в выдавливании металла из замкнутого объема через отверстие в матрице, соответствующее сечению прессуемого профиля. Это высокопроизводительный и экономичный способ обработки металлов и сплавов, которым получают сплошные и полые профили. Прессованные изделия более точны, чем катанные. Исходной заготовкой при прессовании служит слиток или прокат. При этом состояние ее поверхности значительно влияет на качество поверхности и точность получаемого профиля, поэтому зачастую заготовку предварительно обтачивают на станке.

При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию. При такой схеме деформирования металл имеет высокую пластичность. Поэтому прессованием можно обрабатывать труднодеформируемые, малопластичные сплавы (титановые сплавы, углеродистые и легированные стали), а также получать профили сложной формы, которые не могут быть получены, например, прокаткой.

Величина деформации при прессовании характеризуется коэффициентом вытяжки и степенью деформации.

Коэффициент вытяжки: =F₀/F₁ - составляет для сталей 10…50; для цветных сплавов может достигать 450…700.

Степень деформации: q = ((F₀ - F₁)/F₀)•100% может достигать 95%.

Различают прямое и обратное прессование. При прямом прессовании направление выхода металла через отверстие матрицы совпадает с направлением движения пуансона. Часть заготовки, которая остается в контейнере, называется пресс-остатком и составляет 8…12% массы заготовки.

При обратном прессовании металл выдавливается в направлении обратном перемещению пуансона. Этот метод характеризуется меньшими отходами (6…10%) и меньшим усилием прессования, но вследствие сложности оборудования находит ограниченное применение.

Прессованием изготавливают прутки 3…250 мм, проволоку диаметром 5…10 мм, трубы диаметром 20…400 мм с толщиной стенки 1,5…12 мм и другие профили. При прессовании труб заготовка сначала прошивается иглой, проходящей через полый пуансон. При дальнейшем перемещении пуансона металл выдавливается в зазор между отверстием матрицы и иглой.

Оборудованием для прессования служат горизонтальные и вертикальные гидравлические прессы. В последнее время находит применение, особенно при прессовании труднодеформируемых сплавов гидропрессование (прессование под непосредственным воздействием давления жидкости до 2000 МПа и выше). Инструмент для прессования изготавливают из высококачественных инструментальных сталей и жаропрочных сплавов (инструмент работает в исключительно тяжелых условиях: давление и температура). При прессовании используют смазочные материалы (например, жидкое стекло со специальными свойствами). Это позволяет уменьшить износ инструмента.

К недостаткам прессования следует отнести большие отходы металла в виде пресс-остатка (может достигать до 40% при прессовании труб большого диаметра).

4.4 Изготовление машиностроительных заготовок

Ковка

Сущность процесса. Ковка представляет собой процесс горячей обработки металлов давлением между бойками молота и пресса. Кованые заготовки называют поковками. Необходимо отметить, что ковкой не только достигается требуемая форма поковки, но и улучшаются механические свойства и структура, так как металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента. При этом зерна металла вытягиваются в направлении течения, образуя волокна. Поэтому ковкой изготавливаются наиболее нагруженные детали машин.

Ковкой получают поковки массой от 0,1кг до 300т. Необходимо отметить, что для крупных поковок ковка является единственно возможным способом изготовления (валы гидрогенераторов, турбинные диски, коленчатые валы судовых двигателей, валки прокатных станов). Крупные поковки (больше 3т) получают из слитков, поковки массой 2…3т - из блюмов, до 1т - из сортового проката.

Различают ручную и машинную ковку. Ручная используется при ремонтных работах, при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве (малая производительность). Машинная ковка осуществляется на молотах и прессах.

Операции ковки и инструмент. К основным операциям ковки относятся следующие.

Протяжка (вытяжка) - операция, при которой увеличивается длина заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. Вытяжку осуществляют последовательными ударами или нажатиями бойками с подачей заготовки (при плоских бойках), и поворотом ее вокруг оси (при фигурных бойках). Степень деформации характеризуется уковкой (F_о/F_к). Чем больше уковка, тем лучше структура металла и выше его механические свойства.

Осадка - операция, при которой увеличивается поперечное сечение (ширина) в результате уменьшения высоты. Осадкой получают заготовки для зубчатых колес, фланцев, турбинных дисков. Разновидностью осадки является высадка - местное утолщение заготовки (например, головки болта). Для правильной осадки высота исходной цилиндрической заготовки не должно превышать трех диаметров, торцы должны быть равными и параллельными.

Прошивка - получение в заготовке сквозного отверстия (сквозная прошивка) или углубления (глухая прошивка) при помощи прошивня (сплошного или пустотелого). Отверстия диаметром до 400 мм выполняют сплошным прошивнем, а свыше 400 мм - пустотелым. Прошивку отверстий в тонких заготовках производят на подкладных кольцах, в толстых заготовках прошивку отверстия производят в два приема с ее перекантовкой.

Раскатка - калибровка прошитой заготовки до требуемых размеров.

Гибка - операция, при которой изменяется направление оси заготовки для получения поковки заданной формы (изготовление крюков, скоб, коленвалов) с помощью подкладок и приспособлений. При этом необходимо учитывать искажение формы и уменьшение площади поперечного сечения в зоне изгиба.

Кручение заключается в повороте одной части заготовки относительно другой на заданный угол. При этом один конец заготовки зажимают между бойками пресса, на другой надевают вилку и приводят кручение ударами (изготовляют коленвалы, сверла).

Рубка - применяется для разделения заготовки на несколько частей, удаления концов поковки или образования в поковке уступов (надрубка). Осуществляется прямыми и фигурными топорами и зубилами.

Оборудование для ковки. Машины, применяемые для ковки, делятся на молоты и прессы.

Молоты - машины динамического ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной падающими частями молота к моменту удара. Основной характеристикой молота является масса падающих частей. Энергия падающих частей частично теряется на упругие деформации инструмента и колебания шабота (деталь молота, на которую устанавливается нижний боек). Чем больше масса шабота, тем больше КПД. Масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей, бабы, что обеспечивает КПД удара 0,8…0,9. Молоты делятся на паро-воздушные и приводные.

В паровоздушном молоте подъем и опускание падающих частей с закрепленным на них бойком осуществляется при подаче пара или сжатого воздуха давлением 0,7…0,9 МПа в рабочий цилиндр. Паровоздушные молоты изготавливают с массой падающих частей 1…8 т.

Приводные молоты могут быть рычажными, фрикционными и пневматическими. Из приводных молотов наибольшее применение находят пневматические. В них подъем и опускание падающих частей совершается с помощью сжатого воздуха давлением 0,2…0,3 МПа, поступающего в рабочий цилиндр от поршневого компрессора с отдельным электроприводом. Шток рабочего цилиндра одновременно является бабой молота. Пневматические молоты имеют массу падающих частей 50…1000 кг, применяют для ковки мелких поковок (до 20 кг).

Ковочные молоты бывают простого и двойного действия (за счет подачи воздуха только под поршень или под и над поршнем). Управляя распределением воздуха, можно регулировать перемещение падающих частей молота и производить автоматические или единичные удары, прижимать поковку к нижнему бойку или держать бабу молота на весу. Число ударов верхнего бойка молота может составлять до 200 ударов в минуту.

Ковочные прессы - машины статического действия. Продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Применяют гидравлические прессы. В прессе перемещение подвижной траверсы с закрепленным бойком и создание необходимого усилия осуществляется при подаче жидкости (водяной эмульсии или минерального масла) под давлением 20…30 МПа в рабочий цилиндр. Поднятие траверсы производится при подаче жидкости в цилиндры подъема.

В состав гидропрессовой установки, кроме самого пресса, входят также насосная станция, сливной резервуар, аккумулятор жидкости высокого давления, гидрораспределители.

Основной характеристикой пресса является наибольшее усилие, развиваемое прессом. Изготавливают прессы с максимальным усилием 5…150 МН. Используются прессы для получения крупных поковок из слитков, а также при ковке малопластичных высоколегированных сталей и сплавов, также цветных металлов.

Применяются также парогидравлические прессы, в которых вместо приводной насосной станции используется паровой насос (мультипликатор), создающий давление жидкости 30…60 МПа.

Технологический процесс ковки состоит из:

1) подготовки заготовки;

2) нагрева заготовки до заданной температуры;

3) операции ковки;

4) отделки поковки.

Основными документами для изготовления поковки являются ее чертеж и технологическая карта. В последней указывают: марку стали, размеры и массу заготовки, нормы расхода металла, основные, вспомогательные и отделочные операции, последовательность операций с указанием оборудования и инструмента, температуру начала и конца ковки.

Чертеж поковки составляют по чертежу готовой детали с учетом припуска на механическую обработку, допуска на номинальные размеры поковки, напуска (избытка металла) для упрощения очертаний поковки.

При ковке определяют выход годного металла

ВГ=(m_n/m₃) ·100%,

где m_n - вес поковки;

m₃ - вес исходной заготовки.

ВГ не превышает 60%.

При ковке все основные операции (загрузка, транспортировка, кантовка, ковка) механизированы и автоматизированы.

4.5 Штамповка

Штамповку подразделяют на горячую объемную и холодную.

Объёмная штамповка - процесс изготовления поковок в штампах, при котором течение металла ограничивается поверхностями полостей и выступов штампа. Рабочая полость - ручей - соответствует форме поковки.

Преимущества объёмной штамповки по сравнению со свободной ковкой:

1) высокая производительность (в 50…100 раз больше);

2) большая однородность и точность получаемых поковок;

3) высокое качество поверхности;

4) возможность получения поковок более сложной формы.

Недостатки:

1) ограниченность поковок по массе (до 200 кг, в отдельных случаях до 3 тонн), так как усилия деформирования при штамповке гораздо выше, чем при ковке;

2) высокая сложность и дороговизна штампов.

Наиболее эффективна объёмная штамповка в крупносерийном и массовом производствах (автомобильной, авиационной, тракторной промышленности).

Инструмент и оборудование для горячей штамповки

Рабочим инструментом для горячей объёмной штамповки являются штампы, т.е. бойки, в которых тем или иным способом выполнен рельеф, соответствующий форме поковки. Штампы состоят из двух разъемных частей, которые в собранном виде образуют один или несколько ручьёв. В одноручьевых штампах получают поковки простой формы, в многоручьевых - сложные поковки способом последовательного деформирования заготовки в нескольких ручьях. Различают штамповку в открытых и закрытых штампах и штампах для выдавливания.

В открытых штампах по разъему имеется зазор - заусеночная (облойная) канавка, в которую вытекает избыточный объём металла заготовки. При этом ковка получается с облоем (заусенцем) по месту разъёма, который затем обрезают.

В закрытых штампах деформирование металла протекает в закрытой полости. При этом поковка образуется без заусенца, расход материала меньше, но предъявляются повышенные требования к точности объёма заготовки. Штамповка в закрытых штампах позволяет штамповать малопластичные сплавы вследствие большей степени деформации, получать поковки более высокого качества, за счет рационального распределения волокон металла и более равномерной деформации.

В настоящее время наиболее распространена штамповка в открытых штампах. Объемная штамповка в закрытых штампах является прогрессивным технологическим процессом, позволяющим снизить и сократить технологический цикл изготовления поковок. Она применяется в отраслях, отличающихся наиболее отработанной технологией производства (например, автомобильной, тракторной).

Во многоручьевых штампах различают заготовительные и штамповочные ручьи.

Заготовительные ручьи предназначены для получения фасонной заготовки и перераспределения металла для подготовки к окончательной штамповке. В них производят: осадку (на плоской площадке штампа), протяжку - удлинение части заготовки, подкатку - местное увеличение сечения заготовки за счет утонения соседних, пережим - уширение заготовки поперек ее оси, формовку - придание заготовке формы, приближающейся к форме поковки, гибку и отрубку заготовки.

Штамповочные ручьи делятся на черновые (предварительные) и чистовые (окончательные). Черновой ручей не имеет облойной канавки, имеет большие радиусы закруглений и большие штамповочные уклоны, его назначение - предохранить чистовой ручей от изнашивания.

Чистовой ручей является точным отображением поковки, с учетом величины усадки (около 1,5%). По периметру чистовой ручей имеет облойную канавку.

Штамповка выдавливанием производится в штампах с неразъемной или разъемной матрицей. В зависимости от направления течения металла различают прямое, обратное, боковое или комбинированное выдавливание.

Штамповка в штампах с разъемными матрицами является дальнейшим развитием метода штамповки в закрытых штампах. Наличие дополнительного разъема позволяет получить поковки очень сложной формы с выступами или отверстиями в боковых стенках, не выполнимыми при штамповке в неразъемной матрице.

Штамповкой выдавливанием изготовляют стержневые поковки с местными утолщениями (например, клапаны, полые стаканы, гильзы, втулки и т.д.). Штамповка выдавливанием позволяет производить обработку с наименьшими отходами металла за счет существенного уменьшения штамповочных припусков и уклонов или их отсутствия.

Горячую объемную штамповку выполняют на штамповочных молотах, прессах, горизонтально-ковочных и специализированных машинах.

Штамповочные молоты предназначены преимущественно для штамповки поковок во многоручьевых открытых штампах. Применяются главным образом паровоздушные молоты простого и двойного действия с массой падающих частей 0,6…2,5 тонны. Молот для штамповки отличается от молота для ковки в основном конструкцией станины и шабота, которые обеспечивают точность соударения верхней части штампа относительно нижней. Масса шабота штамповочного молота обычно в 20…30 раз больше массы падающих частей. Штамповочные молоты имеют падально-автоматизированное управление. Применяют также бесшаботные паровоздушные молоты, у которых вместо шабота установлена нижняя подвижная баба, соединенная с верхней бабой механической или гидравлической связью. При работе бабы движутся навстречу друг другу по направляющим станины. Предназначены преимущественно для штамповки крупных поковок в одноручьевых штампах.

Штамповочные прессы для объемной штамповки делятся на винтовые, фрикционные, гидравлические и кривошипные.

Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах является наиболее прогрессивным и производительным методом объемной штамповки. Такие прессы с усилием 6…100 МН применяют для получения поковок из сортового и периодического проката в открытых и закрытых штампах. На кривошипных прессах формоизменение поковки происходит за счет поступательного движения ползуна, соединенного с коленчатым валом . При этом деформирование металла в каждом ручье происходит за один ход ползуна. Большое число ходов в минуту (35…90) обеспечивает высокую производительность.

К недостаткам штамповки на кривошипных прессах относятся: необходимость точного определения массы заготовок, заготовки не должны иметь окалины, стоимость прессов в 3…4 раза выше, чем молотов.

Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) предназначены для штамповки высадкой деталей, не требующих штамповки по всей длине, а также для прошивки. Штамповка на ГКМ осуществляется в штампах с двумя плоскостями разъема (штамп для выдавливания с разъемной матрицей), что дает возможность штамповать поковки без штамповочных уклонов и облоя. По производительности ГКМ не уступают кривошипным прессам, но стоимость их в 1,5 раза выше и они менее универсальны, чем молоты и прессы. ГКМ изготавливают с усилием на главном ползуне 5…31,5МН. На них можно обрабатывать прутки диаметром до 270 мм.

Технологический процесс горячей объемной штамповки состоит из:

1) резки металла на заготовки мерной длины;

2) нагрева заготовок;

3) штамповки;

4) отделки поковок (удаление облоя, очистки).

Технологическая подготовка производства штампованных поковок включает также составление чертежа поковки, конструирование и изготовление штампа, выбор оборудования и метода штамповки. В зависимости от характера деформирования, формы, положения плоскости разъема, поперечных сечений и других факторов поковки делятся на группы. Для каждой группы рекомендуется свой метод штамповки и выбор переходов. Одноручьевую штамповку применяют для получения крупных поковок на молотах и прессах за один нагрев. Многоручьевую штамповку осуществляют чаще всего на молотах также за один нагрев.

4.6 Холодная штамповка

Это штамповка без нагрева заготовок. Ее разделяют на объемную и листовую.

Холодная объемная штамповка почти полностью исключает обработку резанием и обеспечивает по сравнению с последней уменьшение трудоемкости на 30…80 % и коэффициента использования материала до 50%.

Основные виды холодной объемной штамповки: выдавливание, высадка, объемная формовка.

Холодное выдавливание - это процесс получения поковок при пластическом течении металла в полости штампа. В отличие от прессования в этом случае заготовкой является не слиток, а прутковая заготовка и получается не протяженный профиль, а чаще всего готовая деталь, требующая незначительной обработки резанием. Степень деформации при обработке мягких, пластичных металлов может быть более 10 000 %, поэтому выдавливание требует высоких давлений (0,7…3 ГПа).

Различают прямое, обратное и комбинированное выдавливание. Схемы первых двух видов аналогичны прямому и обратному прессованию. Штамповка деталей методом комбинированного выдавливания сопровождается течением металла в разных направлениях.

Холодная высадка применяется в массовом производстве при изготовлении болтов, гаек, шпилек, заклепок, винтов. Высадка производится за 1, 2, 3 и более переходов (ударов). Исходной заготовкой служат проволока или прутки диаметром 0,5…38 мм.

Холодная формовка применяется для изготовления сложных по форме деталей. Ее производят в открытых и закрытых штампах; в последних при изготовлении деталей из сплавов цветных металлов.

Технологический процесс изготовления деталей холодной формовкой включает следующие операции: резку заготовок, формовку (иногда предварительную и окончательную), обрезку заусенца (при открытой штамповке), калибровку (или зачистку).

Листовая штамповка - способ изготовления деталей из листового материала. Широко применяется в автотранспортном, сельскохозяйственном машиностроении, авиационной промышленности.

Операции листовой штамповки делятся на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, обжим, формовка, отбортовка).

Отрезка производится на гильотинных или дисковых ножницах, а также на прессах с помощью штампов.

Вырубка и пробивка представляют собой резание по замкнутому контуру, производятся с помощью штампов, состоящих из матрицы и пуансона. Штампы для вырубки и пробивки могут быть простого действия, для выполнения одной операции, и многооперационные.

Гибка является одной из наиболее распространенных формоизменяющих операций холодной штамповки. Гибка бывает одно, двух, четырех и многоугловой. Чем больше радиус угла, тем легче протекает процесс гибки, тем меньше опасность появления трещин в области деформации.

Минимальный внутренний радиус гибки 0,1…2 толщины листового материала.

Вытяжка - получение полой детали замкнутого контура из листа толщиной от 0,02 до 30 мм. Различают вытяжку без утонения стенок и с утонением. Вытяжка может осуществляться за один проход (при h/d<0,6) и несколько проходов (например, при h/d =12 их надо 6). Отношение внешнего диаметра детали к диаметру заготовки называется коэффициентом вытяжки. Для первого прохода его принимают 0,5…0,6, последующих 0,7…0,8.

Вытяжку без утонения стенки осуществляют на вытяжном штампе, у которого зазор между пуансоном и матрицей на 5-10% больше толщины заготовки. Вытяжка с утонением применяется как дополнительная операция для увеличения длины вытянутой детали за счет утонения боковых стенок. Это достигается тем, что зазор между матрицей и пуансоном выбирается меньшим толщины стенки заготовки, а рабочее отверстие матрицы коническим. Допустимое уменьшение толщины стенок за один переход при вытяжке с утонением составляет 40…60%.

Обжим и формовка - местное изменение формы заготовки в результате местных деформаций.

Отбортовка - получение борта в заготовке.

К особым способам листовой штамповки относятся: штамповка взрывом; электрогидравлическая штамповка; электромагнитная штамповка.

4.7 Оборудование для холодной штамповки

Холодное выдавливание выполняется на кривошипных и гидравлических прессах. Процесс холодной объемной формовки выполняется на кривошипно-коленных прессах.

Холодная высадка производится на холодновысадочных автоматах, подобных горизонтально-ковочным машинам. Они обеспечивают автоматическую подачу заготовки, перемещение её из ручья в ручей штампа и обрезку изделий от прутка.

Листовую штамповку в основном выполняют на кривошипных и, в случае крупногабаритных деталей, на гидравлических прессах. Кривошипные прессы различают простого и двойного действия.

Пресс двойного действия имеет два ползуна: наружный и внутренний. Наружным заготовка прижимается к матрице, и он остаётся неподвижным при деформировании заготовки пуансоном, соединенным с внутренним ползуном.

Литература

1. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2010. - 447 с.

2. Металловедение и технология металлов: Учеб. для вузов. / Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В. П. и др. / Под ред. Ю.П. Солнцева. - М.: Металлургия, 2008. - 512 с.

3. Технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. / А.М. Дальский, В.С. Гаврилюк, Л.Н. Бухаркин и др. / Под общ. ред. А.М. Дальского. - 2-е изд., перераб. и доп. / М.: Машиностроение, 2010. - 352 с.

4. Технология металлов и материаловедение: Учеб. для вузов / Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. и др. / Под. ред. Л.Ф. Усовой. - М.: Металлургия, 2004. - 800 с.

5. Технология обработки конструкционных материалов: Учеб. для вузов / П.Г. Петруха, А.И. Марков, П.Д. Беспахотный и др. / Под ред. П.Г. Петрухи. - М.: Высш. шк., 2011. - 512 с.

6. Технология электрической сварки металлов и сплавов: / Под ред. акад. Б.Е. Патона. - М.: Машиностроение, 2004. - 768 с.

7. Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов: Изд. 4-е, стереотип. - М.: Машиностроение, 2003. - 408 с.

Размещено на Allbest.ru