Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov
.pdfСущность процесса ПКП заключается в упругопластическом качении заго-
товки между двумя клиновыми инструментами, параллельно перемещающи-
мися навстречу друг другу и установленными на плитах или вращающимися в одну сторону и установленными на валках с параллельными осями.
Процесс ПКП осуществляется в следующей последовательности. Ис-
ходная заготовка подается в рабочую зону стана на ось прокатки и распола-
гается поперек заходных частей инструментов. Инструментам сообщается встречное поступательное или вращательное движение. Заходные части обо-
их инструментов внедряются в заготовку с диаметрально противоположных сторон, вызывают ее вращение и образование кольцевой канавки. В после-
дующем кольцевая канавка расширяется за счет раскатывания металла на-
клонными гранями инструмента, происходит перемещение избыточных объ-
емов металла в осевом направлении, профилирование и удлинение заготовки.
В результате прокатки заготовка приобретает негативный профиль инстру-
мента. На заключительной стадии прокатки осуществляют калибрование профиля и ножами, установленными по обе стороны инструментов, отрезают избытки металла от прокатанного изделия.
Область эффективного использования ПКП — производство ступенча-
тых изделий с различной конфигурацией ступеней и перепадами диаметров до 4 и более раз. Если в изделии наибольшую площадь поперечного сечения имеет ступень квадратного или шестигранного профиля, то в качестве исход-
ной заготовки используют пруток аналогичного профиля и указанная ступень при прокатке изделия сохраняется без изменений. Плоскоклиновые станы наиболее эффективны при изготовлении большой номенклатуры высокоточ-
ных деталей сложной конфигурации с частыми переналадками. Валковые станы целесообразно использовать при массовом производстве одного - двух изделий, особенно коротких, с относительно невысокими требованиями к их точности.
ПКП обеспечивает по сравнению со штамповкой повышение произво-
дительности в 1,5…2 раза, уменьшение расхода металлопроката на 10…30%, 101
повышение точности, сокращение трудоемкости последующих операций, по-
вышение стойкости инструмента (60…300 тыс. шт.) и значительное сокра-
щение затрат на его изготовление. В тоже время в машиностроении ПКП, не-
смотря на её существенные преимущества, в ряде случаев не выдерживает конкуренции с поперечно-винтовой прокаткой. При поперечно-винтовой прокатке инструмент универсальный, а при поперечно-клиновой - только для данного типоразмера. Расходы на инструмент оправдывают себя только при крупносерийном и массовом производстве и ограниченной номенклатуре де-
талей. Заготовки длиной более 750...800 мм требуют громоздких и очень до-
рогих станов.
Поперечная прокатка
Процесс поперечной прокатки осуществляют на двух или трёх вращающихся в одну сторону валках. Заготовка в виде прутка, трубы или штампованной заготовки круглого сечения в процессе прокатки вращается в другую сторо-
ну. По одной схеме оси валков и заготовки параллельны, в процессе прокатки сближаются (рис. 4.16). По второй схеме прокатка осуществляется с осевой
Рис. 4.16. Прокатка зубьев шестерен с предварительной обкаткой поверхности под зубья: 1 – штампованная за-
готовка; 2 – валок предвари-
тельного профилирования поверхности; 3 – зубчатый
валок; 4 – оправка.
подачей заготовок в зазор между вращающимися валками (рис. 4.17). Горя-
чей прокаткой получают заготовки цилиндрических шестерён с зубьями (мо-
дуль 7...15 мм), а также бочкообразные ролики подшипников и другие детали с заданным внешним и внутренним профилем. Поперечной прокаткой в калиброванных валках изготавливают зубчатые колеса, звездочки и беговые дорожки крановых колес. Применение поперечной прокатки взамен черновой
102
механической обработки дает экономию металла на 10...30%, в 5…10 раза снижает трудоемкость изготовления и на 20…25% увеличивает долговеч-
ность изделий.
Рис. 4.17. Схема прокатки шестерни с осевой подачей заготовки:
1 – заготовка; 2 – кольцевой индуктор; 3 – зубчатые валки; 4 - прокатываемая шестерня.
Производство гнутых профилей
Гнутые профили проката относятся к виду металлопродукции, которые изготавливают мето-
дом последовательного формоизменения полос и листов в валках профилеги-
бочных станов. Они могут иметь поперечное сечение самой различной кон-
фигурации замкнутой и полузамкнутой формы. Они могут иметь перфориро-
ванную поверхность, могут быть плакированы пластиками и другими покры-
тиями.
Если поперечно-винтовая, поперечная и поперечно-клиновая прокатка,
сочетают элементы прокатки и объёмной штамповки, то профилирование ленты сочетает элементы прокатки и листовой штамповки. Сущность про-
цесса состоит в том, что форму сечения ленты последовательно изменяют на профилегибочных станах при помощи нескольких пар вращающихся фасон-
ных валков (роликов). Процесс непрерывный, а при сварке концов рулонов ленты - бесконечный. Кроме роликов с горизонтальной осью устанавливают ролики наклонные и вертикальные.
Применение гнутых из плоского проката профилей позволяет эконо-
мить до 35% металла, по сравнению с профилями, полученными сортовой прокаткой, т. к. они имеют более высокую точность и низкую шероховатость.
Гнутые профили применяют в автомобильной (ветровые рамки, радиа-
торные трубки и др.) и авиационной промышленности, строительные (про-
фили для оконных и фонарных переплётов, поручни лестниц и др.). Гнутые
103
профили значительно дешевле прессованных, но уступают им по прочности,
сложности сечения. Они могут быть изготовлены только из пластичных, с
низким сопротивлением деформации, материалов (алюминий, низкоуглеро-
дистая сталь и т. п.).
4.4. Прессование
Прессование металлов - способ обработки давлением, заключающийся в выдавливании металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстие инструмента (матрицы), форма и размеры которого определяют сечение прессуемого изделия. Различают следующие виды прессования: с прямым истечением металла или прямое прессование (направление движения металла совпадает с направлением движения пресс-шайбы, рис. 4.18, а) и с обратным или обратное прессование (металл течёт навстречу движению матрицы, ко-
торая выполняет функции пресс-шайбы, рис. 4.18, б).
При прямом прессовании профиля сплошного сечения пресс-штемпель
1 через пресс-шайбу 2 передаёт давление на заготовку 6, находящуюся в кон-
тейнере. При этом металл заготовки выдавливается в отверстие матрицы 4,
закрепленной в матрицедержателе 3, и образует профиль. При прессовании трубы с прямым истечением металл заготовки выдавливается в кольцевой за-
зор между матрицей и иглой, образуя трубу заданной конфигурации. В этом случае заготовка перемещается не только относительно контейнера, но и от-
носительно иглы.
При прямом прессовании из-за трения поверхности заготовки о стенки контейнера центральные слои металла опережают внешние. Это явление еще больше усиливается при охлаждении внешних слоев стенками контейнера.
На некотором этапе прессования по центру заготовки со стороны пресс-
шайбы образуется воронка, через которую в центральную часть изделия втя-
гиваются поверхностные, загрязненные окислами и смазкой, слои, образуя так называемую пресс-утяжину. Наличие пресс-утяжины в изделии недопус-
тимо. Поэтому прессование на этой стадии прекращают, годное изделие от-
104
деляют, а оставшийся в контейнере металл (пресс-остаток) направляется в переплавку. Неравномерность деформации приводит к различию структуры и свойств по сечению изделия; особенно это заметно при прессовании прутков большого диаметра.
Рис. 4.18. Схемы прессования прутка:
а - прямое; б - обратное; 1 – пресс-
штемпель; 2 – пресс-шайба; 3 – матри-
цедержатель; 4 – матрица; 5 – пресс-
изделие; 6 – заготовка; 7 – пробка; 8 –
удлиненный матрицедержатель.
При обратном прессовании сило-
вое воздействие на заготовку осуществ-
ляется через контейнер, получающий движение через укороченный пресс-
штемпель — пробку 7, запирающую контейнер. С другой стороны контейнер запирается удлинённым матрицедержателем 8, в котором закреплена матрица
4. При перемещении контейнера вместе с ним перемещается заготовка 6, и
металл выдавливается в канал матрицы, образуя профиль.
При обратном прессовании трение металла о поверхность контейнера отсутствует, вследствие чего неравномерность структуры и свойств по сече-
нию изделия значительно меньше, уменьшается и величина пресс-остатка.
Кроме того, при обратном прессовании значительно меньше усилия (на
25…30%), требуемые для деформирования металла, благодаря чему возмож-
но снижение температуры нагрева заготовок и повышение скорости процес-
са. Вместе с тем конструкция инструмента при обратном прессовании слож-
нее, чем при прямом.
Существуют и другие способы прессования: труб из сплошной заго-
товки с предварительной прошивкой её иглой; сплошных и полых профилей плавно-переменного или ступенчато-переменного сечения; широких ребри-
105
стых листов (панелей) из плоского (щелевого) контейнера и т.д. Промыш-
ленное применение находит также гидростатическое прессование металла
(гидроэкструзия), при котором давление на заготовку передаётся через жид-
кость. При этом способе силовое поле создаётся жидкостью высокого давле-
ния, подаваемой в контейнер от внешнего источника, или давлением на жид-
кость уплотнённого пресс-штемпеля.
Прессование металлов осуществляется как с предварительным нагре-
вом заготовки и инструмента, так и без нагрева. Холодное прессование (т. е.
без нагрева) используют при обработке легкодеформируемых металлов (оло-
ва, свинца, чистого алюминия). Холодное гидростатическое прессование вследствие весьма высоких давлений и отсутствия трения заготовки о по-
верхность контейнера позволяет обрабатывать и более труднодеформируе-
мые металлы и сплавы (дуралюмины, медные сплавы, стали). Горячим прес-
сованием получают изделия из различных металлов и сплавов: алюминие-
вых, титановых, медных, никелевых, а также тугоплавких металлов. Наибо-
лее высокие температуры нагрева заготовок (до 1 600…1 800°С) используют при прессовании вольфрама и молибдена.
При прессовании деформируемый материал находится в условиях не-
равномерного всестороннего сжатия, вследствие чего значительно повыша-
ется его пластичность. Это позволяет обрабатывать давлением даже хрупкие материалы, неподдающиеся обработке другими способами (прокаткой, ков-
кой, волочением). К недостаткам прессования можно отнести значительный износ инструмента (вследствие значительных контактных напряжений и температур), неравномерность свойств по длине прессованного изделия и значительные (до 15 %) технологические отходы (передний конец профиля и пресс-остаток).
Прессование металлов осуществляют на горизонтальных гидравличе-
ских прессах (рис. 4.19) или на вертикальных гидравлических прессах. В не-
которых случаях для холодного прессования труб из легкодеформируемых металлов используют прессы с механическим приводом.
106
Прессованием получают (рис. 4.20) прутки диаметром 3…250 мм,
проволоку диаметром 1…6 мм, трубы диаметром 20...600 мм с толщиной стенки 1,0…1,5 мм и более, сплошные и полые профили.
Рис. 4.19. Гидравличе-
ский пресс для прессова-
ния:
1 – гидравлический ци-
линдр; 2 – пресс-
штемпель; 3 – пресс-шайба; 4 – заготовка; 5 – матрица; 6 – пресс-изделие.
Рис. 4.20. Профили, полученные прес-
сованием.
4.5. Волочение
Волочение - протягивание заго-
товок через сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой.
Конфигурация отверстия определяет форму и размеры получаемого профиля. Схемы основных процессов волоче-
ния представлены на рис. 4.21.
На рис. 4.21, а представлена схема волочения круглого прутка или про-
волоки из круглой заготовки. При многопереходном волочении можно полу-
чить профили значительно более сложного сечения: уголок, крестообразное сечение, тавровое, двутавровое и другие. На рис. 4.21, б показана схема во-
лочения трубы без оправки. Обычно толщина стенки при этом увеличивает-
ся. На рис. 4.21, в, г, д представлены варианты волочения трубы с утонением стенки.
Волочение трубы на короткой оправке (рис. 4.21, в), закрепленной для исключение её затягивания в волоку силами трения;
107
Волочение трубной заготовки с незакрепленной коническо - ступенча-
той оправкой (рис. 4.21, г), которая не затягивается в волоку вследствие равенства сил затягивающих и отталкивающих оправку от волоки. Та-
кая оправка называется самоустанавливающейся;
Рис. 4.21. Схемы основных процессов волочения:
а, – прутка (проволоки) из круглой заготовки; б – трубы с без оправки; в, г, д
–трубы с оправкой; 1 – заготовка; 2 – волока; 3 – изделие; 4 – оправка.
Волочение трубной заготовки на длинной оправке (рис. 4.21, д), кото-
рая протягивается через волоку вместе с трубой. Труба, удлиняясь, пе-
ремещается по оправке в направлении противоположном направлению волочения.
Напряженное состояние металла в деформационной зоне при волоче-
нии создает условия, при которых пластичность металла значительно ниже,
чем при процессах прокатки и прессовании. Это определяет относительно низкие обжатия (25…30%) за один переход при волочении. В связи с упроч-
нением металла от перехода к переходу и снижением при этом его пластиче-
ских характеристик в последующих переходах степень обжатия ещё более понижается. Это понижает и допустимую общую суммарную деформацию.
Поэтому, для восстановления пластических характеристик необходимо при-
менять более частые промежуточные отжиги, чем при других процессах об-
работки металлов давлением.
Для волочения прутков диаметром 16…100 мм и труб диаметром
16…300 мм, а также для выполнения небольших по объему заказов, волоки
108
изготавливают из стали. При волочении заготовок диаметром 0,1…60 мм, а
также для получения больших партий продукции, применяют волоки из твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Для волочения заготовок из цветных металлов и сплавов волоки изготавливают из стали и нихрома (диа-
метр заготовок до 2 мм), вольфрама и молибдена (диаметр заготовок до 1
мм), алмазные волоки (диаметр заготовок до 0,5 мм).
Волочением получают проволоку диаметром 0,002…4 мм, прутки и профили фасонного сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капилляр-
ные. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения ка-
чества поверхности обрабатываемых изделий. Волочение чаще выполняют в холодном состоянии, когда пластическую деформацию сопровождает наклеп,
это используют для повышения механических характеристик металла, на-
пример, предел прочности возрастает в 1,5…2 раза.
4.6. Ковка
Ковка - процесс обработки металлов давлением, при котором формо-
изменение заготовки осуществляется путем нанесения по ней одиночных или последовательных ударов или осуществления нажатий с использованием универсального или подкладного ковочного инструмента.
В качестве исходных материалов при ковке используются слитки, про-
кат, обжатые заготовки (блюмсы), а также заготовки полученные методом непрерывной разливки, центробежным литьем и сварные.
Процессы ковки осуществляются на машинах динамического действия
– молотах, и на машинах статического действия – прессах.
При выборе ковочного оборудования исходят в первую очередь из тех-
нологических возможностей этого оборудования. Поковки массой до 150 кг куют преимущественно на ковочных молотах и очень редко на прессах. По-
ковки массой более 150 кг и до 1 000 кг изготавливаются как на молотах, так и на прессах. Поковки массой более 1 000 кг получают, как правило, на ко-
вочных прессах.
109
Молоты относятся к группе машин ударного (динамического) дейст-
вия. Энергия удара на этих машинах прямо пропорциональна массе падаю-
щих частей и квадрату их скорости падения в момент встречи с деформируе-
мой заготовкой. Мощность молота определяется массой падающих частей, а
также энергией удара. В кузнечном производстве в основном используются пневматические и паровоздушные молоты.
У паровоздушных молотов энергоноситель (пар или сжатый воздух)
служит для подъема падающих частей, удержания их на весу и разгона их в момент совершения рабочего хода. Для изготовления средних по массе и размерам поковок применяются паровоздушные молоты арочного типа с массой падающих частей до 3 т (рис. 4.22, а). Для изготовления крупногаба-
ритных поковок, требующих большей массы падающих частей и большего просвета между стойками станины применяются ковочные молоты мостового типа с массой падающих частей до 8 т (рис. 4.22, б). С целью снижения виб-
раций фундамента и повышения к.п.д. молота, масса шабота у этих машин Рис. 4.22.Схема паровоздушного
ковочного молота:
а – арочного типа
(L – до 2800 мм, Н
– до 630 мм); б –
мостового типа (L1
– до 4500 мм, Н1 –
до 800 мм); 1 – па-
ровоздушный привод; 2 – баба молота; 3 – верхний боёк; 4 – нижний боёк; 5
– шабот.
должна быть равной пятнадцатикратной номинальной массе падающих час-
тей молота.
Пневматические приводные молоты (рис. 4.23), в отличие от паровоз-
душных, не требуют дополнительных затрат на содержание котельной или
110