ткм

Для различных процессов обработки давлением средняя скорость деформации существенно различна (табл. 4).

Таблица 4. Средние скорости деформации для различных видов оборудования обработки давлением

Влияние скорости деформации на пластичность металла неоднозначно. При обработке давлением в горячем состоянии увеличение скорости деформации понижает пластичность металла, а при обработке в холодном – наоборот.

Нагрев металла перед обработкой давлением. Пластическая деформация может производиться как в холодном, так и в горячем состояниях. В результате холодной деформации прочностные характеристики возрастают с увеличением степени деформации, а пластичность снижается.

Совокупность изменения свойств металла в результате холодной деформации называют наклѐпом. Наклѐп бывает иногда весьма полезен, увеличивая в 2–3 раза пределы прочности и текучести, например, в производстве гвоздей. В то же время наклѐп значительно увеличивает сопротивление материала деформированию, что вызывает применение машин большей мощности. Понижение пластичности наклѐпанного металла бывает весьма значительным. Например, у низкоуглеродистой стали относительное удлинение уменьшается с 30–35 % до 5–6 %, т. е. в 6 раз. Деформирование заготовки при температуре рекристаллизации Трек сопровождается снятием наклѐпа.

Процесс обработки давлением, при котором скорость рекристаллизации достаточна для полного разупрочнения, называют горячей деформацией. При горячей деформации сопротивление металла деформированию снижается в 8–10 раз. Горячая деформация предпочтительна при обработке малопластичных металлов и при больших скоростях деформации.

Температура нагрева для горячей деформации зависит от природы деформируемого материала, его химического

состава, а также от толщины заготовки. Однако всегда температура нагрева должна быть значительно ниже температуры солидуса сплава. Если металл перегреть, то появляется неисправимый брак – «пережог», вызванный окислением границ зѐрен.

Температуру начала обработки давлением назначают на 50–100 оС ниже температуры солидуса сплава (рис. 57).

Заканчивают деформирование при температуре не ниже Трек. Каждый металл или сплав имеет свой строго регламентируемый интервал обработки давлением.

Для нагрева заготовок перед обработкой давлением применяют нагревательные печи (камерные или методические) и электронагревательные устройства.

18.2. Получение машиностроительных профилей

18.2.1.Прокатное производство

Прокатка – это обработка давлением, при которой исходная заготовка (слиток или отливка) под действием сил трения непрерывно втягивается между вращающимися валками и пластически деформируется с уменьшением толщины и увеличением длины, а иногда и ширины. Почти 90 % всей выплавляемой стали и значительная часть цветных металлов подвергается прокатке. В зависимости от формы и расположения валков и заготовок по отношению к ним различают продольную, поперечную и поперечно-винтовую прокатки.

При продольной прокатке (рис. 58) заготовка 1 деформируется между двумя валками 2, вращающимися в разные стороны, и перемещается в направлении, перпендикулярном осям валков.

а) продольная; б) поперечная; в) поперечно-винтовая; Q – усилие прокатки; N, T – нормальная и тангенциальная силы соответственно; α– угол захвата;

1 – заготовка; 2 – валки; 3 – оправка

При поперечной прокатке валки 2 вращаются в одном направлении, а заготовка 1, имеющая форму тела вращения, перемещается параллельно осям валков и обжимается по образующей с увеличением длины и уменьшением площади поперечного сечения.

При поперечно-винтовой прокатке валки 2 расположены под углом друг к другу, вращаются в одну сторону и при обжатии заготовки 1 сообщают ей вращательное и поступательное движения.

Если обозначить через ho, bo и lo соответственно толщину, ширину и длину исходной полосы, а через h1, b1 и l1 – конечной, то абсолютное обжатие:

h = h0 − h1;

соответственно абсолютное уширение

b = b1 − b0.

Величину деформации полосы при прокатке характеризуют следующие показатели (коэффициенты):

Металл соприкасается с каждым из валков по дуге АВ (рис. 59), которую называют дугой захвата. Угол α, соответствующий этой дуге, называется углом захвата.

Объѐм металла, ограниченный дугами захвата АВ, боковыми гранями полосы

металла валками необходимо, чтобы соблюдалось условие f >tgα, т. е. тангенс угла захвата должен быть меньше коэффициента трения.

При горячей прокатке стали гладкими валками угол захвата равен 20–26о, при холодной 5–8о. Усилие прокатки P определяют по формуле:

P = PсрF,

где Pср – среднее давление прокатки;

F – горизонтальная проекция контактной площади металла с валком. Инструментом прокатки являются валки, которые могут быть не только

гладкими (рис. 60), но и с фигурными вырезами – ручьями. Совокупность соответствующих вырезов в верхнем и нижнем валках образуют калибр. Калибры могут быть открытыми и закрытыми (рис. 60). Комплект прокатных валков со станиной называют рабочей клетью.

а) гладкий; б) с фигурными вырезами; в) калибр открытый; г) калибр закрытый

По числу и расположению валков в клетях, прокатные станы подразделяют на дуо-, трио-, кварто-, многовалковые и универсальные (рис. 61).

Рис. 61. Рабочие клети прокатных станов:

а) дуо; б) трио; в) кварто; г) многовалковый; д) универсальные

Форму поперечного сечения продукции, получаемой при прокатке, называют профилем. Совокупность форм и размеров профилей называют сортаментом. Сортамент проката подразделяется на группы: сортовой прокат, листовой, трубы и профили специального назначения (рис. 62).

Рис. 62. Разновидности профилей проката:

1–10 – простые; 11–17 – фасонные; 18–34 – сложные специальные

В свою очередь, сортовой прокат по форме сечения разделяют на простой (круг, квадрат, шестигранник и др.) и фасонный (уголки, тавры и двутавры, рельсы, швеллеры и др.) Листовой прокат подразделяют на толстолистовой (4 мм и более) и тонколистовой (менее 4 мм).

Наиболее распространѐнными видами проката являются блюмы, слябы и сортовой прокат.

Блюмы – заготовки квадратного сечения от 450 × 450 до 150 × 150 мм2, получаемые на блюминге в результате прокатки слитков, предварительно подогретых до 1 300 оС.

Слябы – заготовки прямоугольного сечения максимальной толщины до 350 мм и шириной до 2 300 мм, идущие для прокатки на толстый лист.

После прокатки на слябинге часть проката направляется на заготовочные станы. Полученные полосы режут на мерные куски необходимой длины – сутунки. Последующая обработка включает отделочные операции: зачистку, травление, удаление поверхностных дефектов. Полученные заготовки направляются на сортовые и листопрокатные станы. На сортовых станах заготовка после нагрева в печах последовательно проходит прокатку в 7–15 калибрах, в последнем из которых получают требуемый профиль

(рис. 63).

Рис. 63. Последовательность проката рельса на сортопрокатном стане

Современная технология позволяет получать непрерывной холодной прокаткой листы толщиной менее 0,1 мм с суммарным обжатием до 80–90 % без промежуточной термической обработки.

Прокаткой освоено производство бесшовных и сварных труб как из стали, так и цветных металлов. Бесшовные изготовляют диаметром 30–650 мм с толщиной стенки от 2 до 160 мм, сварные – диаметром от 5 до 2 500 мм.

Возможно получение профилей специального назначения. Например, шары для подшипников, заготовки для шатунов, цельнокатаные вагонные колѐса и др.

18.2.2.Волочение

Волока 1 закрепляется в обойме 2 на жѐсткой волочильной доске. Волока имеет четыре зоны: входную – I, рабочую (деформирующую) – II, калибрующую (очко или поясок) – III и выходную – IV. Калибрующая зона обычно имеет цилиндрическую форму. Остальные зоны – конические.

Угол рабочего конуса деформирующей зоны выбирают в пределах 10–20о, в зависимости от вида изделия и свойств деформируемого металла.

До начала волочения конец заготовки заостряют, пропускают через очко, захватывают тяговым механизмом волочильной машины, протягивающим еѐ через волоку, подвергая при этом деформации – обжатию и вытяжке. В зависимости от способа осуществления тяги волочильные машины подразделяются на цепные и барабанные (рис. 65). Основными элементами стана цепного типа является станина 1, механизм перемещения тележки 5, цепь 4, тележка с захватом 3, стойка для крепления инструмента (волоки) 2. Длина

протягиваемого изделия ограничивается длиной станины и не превышает 15 м. Скорость волочения – до 2 м/с.

Рис. 65. Схема волочильного стана цепного типа:

1 – станина; 2 – волока; 3 – волочильная тележка; 4 – цепь; 5 – привод волочильной тележки

Барабанные станы в зависимости от назначения могут быть однобарабанными и многобарабанными. Первые применяют при волочении толстой проволоки диаметром 4–25 мм и реже труб. В станах многократного волочения обработка происходит последовательно в нескольких волоках (до 30 волок). Скорость волочения может достигать 20 м/с. Степень деформации при волочении:

F0 F1 1000%%,

F0

как правило, не превышает 30–35 %, коэффициент вытяжки μ за один проход 1,25–1,45.

Волочение обеспечивает высокую точность, малую шероховатость поверхности и большую степень упрочнения. После волочения изделия, как правило, не обрабатываются.

18.2.3.Прессование

Прессованием называют процесс выдавливания находящегося в контейнере металла через одно или несколько отверстий в матрице с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки. Прессование обычно применяют для обработки цветных металлов и сплавов, но иногда и сталей, так как реализуется наиболее благоприятная схема нагружения – всестороннее сжатие.

Коэффициент вытяжки μ при прессовании составляет 10–50. Степень обжатия достигает 90 %. Исходный материал для прессования – литые или прокатанные заготовки. Прессованием можно получать профили различного сечения (рис. 66), в том числе и прутки диаметром 5–300 мм, трубы диаметром 18–350 мм и толщиной стенок 1,5–50 мм. Различают два метода прессования: прямой и обратный (рис. 67).

в)

При прямом методе прессования заготовка 3 помещается в контейнер 4 пресса. С одной стороны контейнера посредством матрицедержателя 2 закреплена матрица 1 с выходным отверстием. С другой стороны контейнера имеется пуансон 5 с прессшайбой 6 на конце.

При обратном методе прессования в контейнер 4 вместо пресс-шайбы входит полый пуансон 5 с матрицей 1 на его конце.

При обратном прессовании отходы металла уменьшаются на 5–6 % и снижается усилие прессования. Однако этот метод имеет ограниченное применение из-за сложности конструкции пресса и удаления изделия из полого пуансона.

При прессовании труб заготовка 3, помещѐнная внутрь контейнера 4, сначала прошивается стальной иглой 7. Передний конец иглы проходит через всю заготовку и выходит через отверстие матрицы 1. Между стенками отверстия матрицы и наружной поверхностью иглы образуется кольцевой зазор. При движении пуансона 5 вместе с пресс-шайбой 6 в направлении матрицы металл выдавливается в кольцевой зазор и принимает форму трубы 8.

Методом прессования обычно получают изделия из предварительно нагретых заготовок однако, в последние годы широко применяют холодное прессование, которое обеспечивает получение точных профилей без последующей механической обработки. Этим методом получают изделия из металлов и сплавов, высокопластичных в холодном состоянии.

18.2.4.Гидроэкструзия

Гидроэкструзия – это прессование жидкостью высокого давления. Заготовка деформируется не жѐстким пуансоном, а жидкостью, подаваемой в полость контейнера (рис. 68).

Преимуществами процесса являются: значительное повышение пластичности обрабатываемого металла; отсутствие неравномерности деформации; значительное уменьшение удельного давления прессования (на 30–40 %); возможность деформирования в холодном состоянии; повышение стойкости матриц; улучшение структуры и свойств обработанного металла.

(коэффициент вытяжки 200 и более); при необходимости улучшения физикомеханических и эксплуатационных свойств обрабатываемого материала; для получения тонкостенных труб и профилей высокой точности; при получении изделий из композиционных, порошковых и других материалов.

Практически на любом машиностроительном заводе существуют кузнечные цехи или участки для изготовления поковок, получаемых свободной ковкой или объѐмной штамповкой. Ниже кратко приведены сведения об этих методах.

18.2.5.Свободная ковка

Ковка может быть машинной и ручной. Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах. Машинную ковку производят с применением кузнечно-прессовых машин. Мелкие и средние по массе поковки (до 750 кг) изготовляют на молотах, а крупные (до 350 т) – на прессах.

Основные операции ковки: осадка, протяжка, раскатка на оправке, гибка, скручивание, рубка, пробивка, прошивка и кузнечная сварка.

Осадка – уменьшение высоты заготовки при увеличении площади еѐ поперечного сечения (рис. 69), производимая бойками или осадочными плитами.

Протяжка – удлинение заготовки или еѐ части за счѐт уменьшения площади поперечного сечения. Разновидностями протяжки являются раскатка и протяжка на оправке (рис. 69).

Раскатка – увеличение диаметра кольцевой заготовки при вращении за счѐт уменьшения еѐ толщины с помощью бойка и оправки.