Глава I Общая характеристика и физико-механические основы обработки металлов давлением

1. СУЩНОСТЬ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработка давлением - техноло­гические процессы формоизменения за счет пластической деформации в резуль­тате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.

Если при упругих деформациях де­формируемое тело полностью восстанав­ливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и разме­ров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения дейст­вия этих сил. Упругая деформация харак­теризуется смещением атомов относи­тельно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в ис­ходное положение. При пластических де­формациях атомы смещаются относитель­но друг друга на расстояния, большие межатомных, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положе­ние, а занимают новые положения равно­весия.

Для начала перехода атомов в новые положения равновесия необходимы опре­деленные действующие напряжения, зна­чения которых зависят от межатомных сил и характера взаимного расположения ато­мов (типа кристаллической решетки, на­личия и расположения примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т.п.).

Так как сопротивление смещению ато­мов в новые положения изменяется не­пропорционально смещению, то при пла­стических деформациях линейная связь между напряжениями и деформациями обычно отсутствует.

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому под действием деформирующих сил де­формация состоит из упругой и пластиче­ской составляющих, причем упругая со­ставляющая исчезает при снятии дефор­мирующих сил, а пластическая состав­ляющая приводит к остаточному измене­нию формы и размеров тела.

В новые положения равновесия атомы могут переходить в результате смещения в определенных параллельных плоскостях, без существенного изменения расстояний между этими плоскостями. При этом ато­мы не выходят из зоны силового взаимо­действия и деформация происходит без нарушения сплошности металла, плот­ность которого практически не изменяет­ся. Скольжение одной части кристалличе­ской решетки относительно другой проис­ходит по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям скольже­ния). В реальных металлах кристалличе­ская решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых об­легчает скольжение.

60

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значе­ниях может начаться разрушение металла.

Однако, создавая наиболее благопри­ятные условия деформирования, в на­стоящее время достигают значительного пластического формоизменения даже у материалов, имеющих в обычных услови­ях невысокую пластичность.

Существенные преимущества обработ­ки металлов давлением по сравнению с обработкой резанием - возможность зна­чительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократ­ного приложения деформирующей силы можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровож­дается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойст­вами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества об­работки металлов давлением (см. ниже) способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Со­вершенствование технологических про­цессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позво­ляет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением.

2. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Изменение структуры и свойств метал­ла при обработке давлением определяется температурно-скоростными условиями де­формирования, в зависимости от которых различают холодную и горячую деформа­ции.

а) б)

Рис. 3.1. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации: а - холодной; 6 - горячей

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытя­гиваются в направлении наиболее интен­сивного течения металлов (рис. 3.1, а). При холодной деформации формоизмене­ние сопровождается изменением механи­ческих и физико-химических свойств ме­талла. Это явление называют упрочне­нием (наклепом). Изменение механи­ческих свойств состоит в том, что при хо­лодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл стано­вится более твердым, но менее пластич­ным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увели­чения искажений кристаллической решет­ки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).

Изменения, внесенные холодной де­формацией в структуру и свойства метал­ла, не необратимы. Они могут быть устра­нены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае про­исходит внутренняя перестройка, при ко­торой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров рас­тут новые зерна, заменяющие собой вытя­нутые, деформированные зерна. Так как в равномерном температурном поле ско­рость роста зерен по всем направлениям одинакова, то новые зерна, появляющиеся взамен деформированных, имеют пример-

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

61

но одинаковые размеры по всем направле­ниям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформирован­ных, вытянутых, происходящее при опре­деленных температурах, называется ре­кристаллизацией. Для чистых метал­лов рекристаллизация начинается при аб­солютной температуре, равной 0,4 абсо­лютной температуры плавления металла. Рекристаллизации протекает с определен­ной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформиро­ванной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры де­формированных, вытянутых зерен не из­меняются, но частично снимаются оста­точные напряжения. Эти напряжения воз­никают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давле­нием), неоднородности распределения де­формаций при пластическом деформиро­вании и т.д. Остаточные напряжения соз­дают системы взаимно уравновешиваю­щихся сил и находятся в заготовке, не на­груженной внешними силами. Снятие ос­таточных напряжений при возврате почти не изменяет механические свойства ме­талла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства. Так, в результате возврата значительно повышаются элек­трическая проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного ме­талла.

Формоизменение заготовки при темпе­ратуре выше температуры рекристаллиза­ции сопровождается одновременным про­теканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют де­формацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекри­сталлизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равно­осной, без следов упрочнения (рис. 3.1, б).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увели­чением ее скорости повышать температу­ру нагрева заготовки (для увеличения ско­рости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекри-сталлизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению неод­нородной структуры, снижению механи­ческих свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивле­ние деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (пре­дел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие деформирующие силы (менее мощное оборудование).

Следует учитывать, что при обработке давлением заготовок малых размеров (ма­лой толщины) трудно выдержать необхо­димые температурные условия ввиду бы­строго их охлаждения на воздухе и от контакта с более холодным инструментом.

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной. Поэто­му горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодефор-мируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого ме­талла (слитков). В то же время при горя­чей деформации окисление заготовки бо­лее интенсивно (на поверхности образует­ся слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых раз­меров.

Холодная деформация без нагрева за­готовки позволяет получать большую точ­ность размеров и лучшее качество по­верхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких тем-

62

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

пературах. Отметим, что обработка давле­нием без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает ис­пользование средств механизации и авто­матизации и повышает производитель­ность труда.

Влияние холодной деформации на свойства металла можно использовать для улучшения эксплуатационных свойств деталей. Управлять изменением свойств в требуемом направлении и на желаемую величину можно выбором рационального сочетания холодной и горячей деформа­ций, а также числа и режимов термиче­ских обработок в процессе изготовления детали.

Исходной заготовкой для начальных процессов обработки металлов давлением (прокатки, прессования) является слиток. Кристаллическое строение слитка неодно­родно (кристаллиты различных размеров и форм). Кроме того, в нем имеются порис­тость, газовые пузыри и т. п. Обработка давлением слитка при нагреве его до дос­таточно высоких температур приводит к деформации кристаллитов и частичной заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке давлением слитка может увеличиться и плотность металла.

В результате деформации кристалли­тов и последующей рекристаллизации металл получает мелкозернистое строе­ние, т.е. размеры зерен после рекристал-

лизации исчисляются в сотых или десятых долях миллиметра, причем эти размеры примерно одинаковы по всем направлени­ям (равноосная структура).

Если слиток загрязнен неметалличе­скими включениями, обычно распола­гающимися по границам кристаллитов, то в результате обработки давлением неме­таллические включения вытягиваются в виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла. Эти во­локна выявляются травлением и видны невооруженным глазом в форме так назы­ваемой волокнистой макроструктуры (рис. 3.2, а). Полученная в результате об­работки давлением литого металла волок­нистая макроструктура не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. По­следняя в зависимости от направления пластического течения металла может изменить лишь направление и форму во­локон макроструктуры.

Металл с явно выраженной волокни­стой макроструктурой характеризуется анизотропией (векториальностью) меха­нических свойств. При этом показатели прочности (предел текучести, временное сопротивление и др.) в разных направле­ниях отличаются незначительно, а показа­тели пластичности (относительное удли­нение, ударная вязкость и др.) вдоль воло­кон выше, чем поперек их.

а) Рис. 3.2. Макроструктура металла после

б) в) г)

давлением

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

63

Так как направление волокон зависит от направления течения металла при де­формировании заготовки в готовой детали желательно предусмотреть благоприятное с точки зрения ее эксплуатации располо­жение волокон. При этом общие рекомен­дации следующие: необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе рабо­ты, были направлены вдоль волокон, а если какой-либо элемент этой детали ра­ботает на срез, то желательно, чтобы пе­ререзывающие силы действовали поперек волокон; необходимо, чтобы волокна под­ходили к наружным поверхностям детали по касательной и не перерезались наруж­ными поверхностями детали.

Выполнение этих требований не толь­ко повышает надежность детали (в том числе и при динамическом нагружении), но и улучшает другие эксплуатационные характеристики, например сопротивление истиранию.

Возможность воздействия обработкой давлением на расположение волокон, а следовательно, и на свойства деталей можно иллюстрировать следующим при­мером. В зубчатом колесе, изготовленном резанием из прутка (рис. 3.2, б), растяги­вающие напряжения, возникающие при изгибе зуба 1 под действием сопряженно­го колеса, направлены поперек волокон, что понижает их надежность. При горячей штамповке зубчатого колеса из полосы (рис. 3.2, в) волокна по-разному ориенти­рованы в различных зубьях относительно наибольших растягивающих напряжений: в зубе / - вдоль волокон, а в зубе 2 - по­перек. Следовательно, зубья оказываются неравнопрочными.

При изготовлении зубчатого колеса осадкой (рис. 3.2, г) из отрезка прутка круглого сечения волокна получают почти радиальное направление. В этом случае все зубья равнопрочны, а наибольшие рас­тягивающие напряжения, возникающие при изгибе, направлены вдоль волокон.

3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Процесс пластического деформирова­ния металла при обработке давлением мо­жет быть представлен графической зави­симостью действующих давлений от соот­ветствующих пластических деформаций (рис. 3.3). При холодной деформации рас­тет величина необходимых для этого на­пряжений и уравновешивающих их в каж­дый момент времени внешних сил, при­кладываемых к деформируемому телу (кривая 3 на рис. 3.3). Эта зависимость ограничена не только по оси абсцисс ве­личиной пластической деформации, кото­рой можно достичь без разрушения (пре­дельной деформации), но часто и по оси ординат величиной максимально допус­тимых давлений на инструмент. Характер зависимости давления - деформации и их предельные значения зависят от свойств металла и условий деформирования.

С повышением температуры увеличи­ваются значения максимального относи­тельного удлинения и максимально дос­тижимых деформаций, а сопротивление деформированию уменьшается (рис. 3.4).

Рис. 3.3. Зависимость давления от степени пла­стической деформации в процессах обработки металлов давлением: / - горячая деформация с низкой скоростью;

2. - горячая деформация с более высокой скоростью;

3. - холодная деформация

64

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

б_в,МПа S,Vo

О 200 W0 600 800 1000 t°C

Рис. 3.4. Изменение о_в и 5 малоуглеродистой стали в зависимости от температуры

Таким образом, при деформировании ста­ли, нафетой, например, до температуры 1200 °С, можно достичь большего формо­изменения при меньшей приложенной силе, чем при деформировании ненафетой стали. Все металлы и сплавы имеют тен­денцию к увеличению пластичности и уменьшению сопротивления деформиро­ванию при повышении температуры в случае выполнения ряда требований, предъявляемых к процессу нафева. Так, каждый металл должен быть нафет до вполне определенной максимальной тем­пературы. Если нафеть, например, сталь до температуры, близкой к температуре плавления, наступает пережог, выра­жающийся в появлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окис­ления их фаниц. При этом происходит полная потеря пластичности. Пережог исправить нельзя, пережженный металл может быть отправлен только на пере­плавку.

Ниже зоны температур пережога нахо­дится зона температур перегрева. Явле­ние перефева заключается в резком росте размеров зерен. Вследствие того что крупнозернистой первичной кристаллиза­ции (аустенит), как правило, соответствует крупнозернистая вторичная кристаллиза­ция (ферриг + перлит или перлит + цемен­тит), механические свойства изделия, по­лученного обработкой давлением из пере-фетой заготовки, оказываются низкими.

Брак по перефеву в большинстве случаев можно исправить отжигом. Однако для некоторых сталей (например, хромони-келевых) исправление перефетого метал­ла сопряжено со значительными трудно­стями и простой отжиг оказывается недос­таточным.

Максимальную температуру нафева, т.е. температуру начала горячей обработки давлением, следует назначать такой, что­бы не было пережога и перефева. В про­цессе обработки нафетый металл обычно остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и окружающей средой.

Заканчивать горячую обработку давле­нием следует также при вполне опреде­ленной температуре, ниже которой пла­стичность вследствие упрочнения (рекри­сталлизация не успевает произойти) пада­ет и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформирование нецелесооб­разно, особенно для сплавов, не имеющих фазовых превращений. В этом случае по­сле деформирования зерна успевают вы­расти и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.

Каждый металл и сплав имеют свой строго определенный температурный ин­тервал горячей обработки давлением; на­пример, алюминиевый сплав АК4 470 ... 350 °С; медный сплав БрАЖМц 900 ... 750 °С; титановый сплав ВТ8 1100 ... 900 °С. Для углеродистых сталей темпера­турный интервал нафева можно опреде­лить по диафамме состояния (см. разд. 1). С увеличением содержания углерода он сужается от 1300 ... 700 °С для малоугле­родистой стали до 1080 ... 870 °С для ста­ли У13 (рис. 3.5).

Заготовка должна быть равномерно на-фета по всему объему до требуемой тем­пературы. Разность температур по сече­нию заготовки приводит к тому, что вследствие теплового расширения между более нафетыми поверхностными слоями металла и менее нафетыми внутренними

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

65

*?■ '«я

%^2Sz^-^

llllll

%/2222£2^

1300

ffOO

900

700

500

0 0,2 0Л 0,6 0,8 1 C,%

Рис. З.5. Температурный интервал нагрева уг­леродистых сталей в зависимости от содержа­ния углерода

слоями возникают напряжения. Последние тем больше, чем больше разность темпе­ратур по сечению заготовки, и могут воз­расти настолько, что в центральной зоне с растягивающими напряжениями при низ­кой пластичности металла образуются трещины. Разность температур по сечению увеличивается с повышением скорости на­грева, поэтому существует допустимая ско­рость нагрева. Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из высоко­легированных сталей из-за их более низкой теплопроводности. Например, время нагре­ва слитка массой ~ 40 т из легированной стали составляет более 24 ч.

Однако с увеличением времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, так как при высоких температу­рах металл активнее химически взаимо­действует с кислородом воздуха. В ре­зультате на поверхности, например, стальной заготовки образуется окалина -слой, состоящий из оксидов железа: Fe₂0₃, Fe₃0₂, FeO. Кроме потерь металла с ока­линой последняя, вдавливаясь в поверх­ность заготовки при деформировании, вызывает необходимость увеличения при­пусков на механическую обработку. Ока­лина увеличивает износ деформирующего инструмента, так как ее твердость значи­тельно больше твердости горячего металла.

Яри высоких температурах на поверх­ности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и угле­род; происходит так называемое обезугле­роживание. Толщина обезуглероженного слоя иногда достигает 1,5 ... 2 мм.

Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восстанови­тельной атмосфере.

Влияние температуры металла на практике нельзя рассматривать в отрыве от скоростных условий деформирования. Как следует из определения горячей де­формации, скорость деформирования при ней должна обеспечить полное протекание процесса рекристаллизации, скорость ко­торой зависит от температуры. С увеличе­нием скорости деформации при постоян­ной температуре увеличивается влияние упрочнения над рекристаллизационным разупрочнением и давления при той же де­формации возрастают (см. рис. 3.3). Поэто­му для некоторых особо чувствительных к увеличению скорости деформирования сплавов, например алюминиевых и маг­ниевых, горячее деформирование реко­мендуется осуществлять на тихоходных гидравлических прессах, а не на молотах.

В процессе деформирования необхо­димая для этого энергия превращается в тепловую. При деформировании с не­большими скоростями выделяющаяся по плоскостям скольжения теплота рассеива­ется и не оказывает заметного воздействия на процесс деформирования. Однако при деформации ненагретой заготовки с очень большими скоростями (например, 20 м/с и более) выделяющаяся при деформирова­нии теплота может давать эффект увели­чения пластичности и снижения сопро­тивления деформированию.

Большое влияние на величину пре­дельной деформации оказывает схема на­пряженного состояния. Наибольшая пре­дельная деформация достигается при от­сутствии растягивающих напряжений и увеличении сжимающих. В этих условиях (схема неравномерного всестороннего

3 - 9503

66

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

сжатия) даже хрупкие материалы типа мрамора могут получать пластические деформации. Однако при реализации та­кой схемы с большим значением суммар­ного сжимающего напряжения (гидроста­тического давления) возрастают дейст­вующие на деформирующий инструмент давления, которые ограничиваются его экономически оправданной стойкостью.

Русский ученый С. И. Губкин показал, что пластичность при прочих равных ус­ловиях определяется схемой напряженно­го состояния, различной в разных процес­сах и операциях обработки давлением. Вследствие этого для каждых операций, металла и температурно-скоростных усло­вий существуют свои определенные пре­дельные деформации.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Пластическое деформирование в обра­ботке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходной заготовкой могут быть объемное тело, пруток, лист. По назначению про­цессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:

для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качест­ве заготовок для последующего изготов­ления из них деталей обработкой резанием с использованием предварительного пла­стического формоизменения или без него; основными разновидностями таких про­цессов являются прокатка, прессование и волочение;

для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и тре­бующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качест­ва; основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки можно считать сжа­тие между плоскостями инструмента, ро­тационное обжатие вращающимися вал­ками, затекание металла в полость инст­румента, выдавливание металла из полос­ти инструмента и волочение, при котором в качестве заготовки может быть исполь­зован только пруток.

Процессы деформирования листовой заготовки - операции листовой штампов­ки - объединяются в две группы: раздели­тельные операции (отрезка, вырубка, про­бивка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка и др.).

Сжатие между плоскостями инстру­мента - осадка - характеризуется свобод­ным пластическим течением металла между поверхностями инструмента (рис. 3.6, а). Схема напряженного состояния - всесто­роннее неравномерное сжатие из-за нали­чия сил трения на контакте между инст­рументом и заготовкой. С уменьшением коэффициента трения и увеличением от­носительной высоты заготовки схема на­пряженного состояния приближается к линейному сжатию. Однако относитель­ная высота (отношение высоты заготовки к ее меньшему поперечному размеру) не может быть больше предельного значения, равного 2,5 ... 3, из-за опасности потери устойчивости и изгиба.

Схема свободного течения металла при сжатии между плоскостями инструмента лежит в основе операций ковки: осадки, протяжки, раскатки и др., а также имеет место во многих способах объемной штамповки.

Ротационное обжатие вращающими­ся валками (рис. 3.6, б) обусловливается силами трения между вращающимся ин­струментом и заготовкой, благодаря кото­рым последняя перемещается в зазоре ме­жду валками, одновременно деформиру­ясь. Эта схема лежит в основе прокатки; кроме того, она может быть использована в ряде способов получения поковок: попе­речно-клиновой прокатке, вальцовке, рас­катке.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

67

Рис. 3.6. Основные схемы деформирования в обработке металлов давлением

Для осуществления процесса необхо­дима определенная величина сил трения. На заготовку со стороны валков действу­ют нормальные силы N и сила трения Т (рис. 3.6, б). Спроецировав эти силы на горизонтальную ось, можно записать ус­ловие захвата металла валками (по отно­шению к одному валку, так как система симметрична):

N sina < 7cosa.

Угол а называется углом захвата. Выра­зив силу трения как Т =fN, где/- коэффи­циент трения, и подставив это выражение в условие захвата, получим sina </cosa или f> tga. Таким образом, для осуществления захвата металла валками необходимо, что­бы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла за­хвата.

В процессе деформирования уменьша­ется толщина заготовки при одновремен­ном увеличении ее длины и ширины. Де­формацию заготовки обычно определяют относительным обжатием, %:

е„ = (Яо-Я,)100/Я₀,

где Н₀ и #i - высота заготовки соответст­венно до и после деформации.

Площадь поперечного сечения заго­товки всегда уменьшается. Поэтому для определения деформации (особенно, когда

обжатие по сечению различно) использу­ют показатель, называемый вытяжкой.

ц = /i//₀ = Fg/Fi,

где /₀ и F_Q - первоначальные длина и пло­щадь поперечного сечения; ^ и F\ - те же величины после прокатки.

Вытяжка обычно составляет 1,1 ... 1,6 за проход, но может быть и больше.

Затекание металла в полость инстру­мента (рис. 3.6, в) - схема деформирова­ния, являющаяся сутью объемной штам­повки. Металл заготовки заполняет по­лость специального инструмента - штам­па, называемую его ручьем, приобретая его форму и размеры. Течение металла ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в от­дельных частях штампа.

Затеканию металла в полость штампа препятствуют силы трения; схема напря­женного состояния - всестороннее нерав­номерное сжатие. Чем больше отношение глубины к ширине полости, тем большее давление должно быть приложено к ме­таллу для ее заполнения.

Выдавливание металла (рис. 3.6, г) че­рез отверстие заданного сечения в матри­це 1 происходит вследствие его сжатия в замкнутой полости, образуемой контейне­ром 3, матрицей 1 и пуансоном 4, поэтому схема неравномерного всестороннего сжа-

з»

68

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

тия реализуется здесь полнее, чем в дру­гих процессах. Длина выдавленной части относится к перемещению пуансона 4, как площадь поперечного сечения исходной заготовки 2 к площади выдавленной час­ти. Чем больше это отношение (так назы­ваемая величина вытяжки), тем больше значение суммарного сжимающего на­пряжения, развиваемого в металле при выдавливании. Схема выдавливания ха­рактерна для таких видов обработки ме­таллов давлением, как прессование, горя­чая и холодная штамповка.

Волочение (рис. 3.6, д) заключается в протягивании заготовки 2 через сужаю­щееся отверстие в инструменте, называе­мом волокой 7; площадь поперечного се­чения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия волоки, а следовательно, длина (из усло­вия постоянства объема при пластической деформации) увеличивается.

Вследствие того что к заготовке при волочении приложена тянущая сила, в отверстии волоки (очаге деформации) и после выхода из нее металл испытывает растягивающие напряжения. Но если в очаге деформации, в котором действуют и сжимающие напряжения со стороны инст­румента, металл пластически деформиру­ется, то на выходящем из волоки конце прутка пластическая деформация недо­пустима. В противном случае поперечное сечение прутка изменяется или он разры­вается. Поэтому величина деформации за

один проход ограничена, отношение пло­щадей поперечного сечения заготовки и деформированной части обычно не пре­вышает 1,5.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Как отличаются между собой свойства (см. рис. 3.1) листа из одного сплава, получен­ного холодной и горячей прокаткой?

2. Почему деформацию свинца при комнат­ной температуре следует считать горячей?

3. Какой из двух болтов одинаковых разме­ров и материала будет более работоспособным: с головкой, полученной пластическим дефор­мированием или выточенной из цилиндриче­ской заготовки?

4. Изобразите графическую зависимость напряжение - пластическая деформация, ха­ рактерную для холодной деформации, и пока­ жите, как будет выглядеть этот график при увеличении температуры деформирования; на­ ложении всестороннего сжимающего давления.

5. Почему при осадке заготовки с квадрат­ным поперечным сечением ее боковые грани становятся по мере деформации криволиней­ными, а поперечное сечение приближается к кругу?

6. В каком из основных процессов пласти­ческого деформирования трение между инст­рументом и заготовкой в наибольшей степени играет отрицательную роль, ограничивая воз­можности формоизменения, а в каком - поло­жительную роль?

7. Какая из основных схем пластического деформирования наиболее благоприятна для формоизменения малопластичных сплавов?