Лекция 14. Технологические операции обработки металлов давлением

Прокатка металла. Прокаткой называется процесс деформации метал-

ла путем обжатия его между двумя вращающимися валками. При этом проис-

ходит уменьшение толщины заготовки (обжатие), увеличение ширины (ушире-

ние) и увеличение длины (вытяжка). Прокатка является одним из самых произ-

водительных способов ОМД и применяется преимущественно для получения

стандартных заготовок и полуфабрикатов для дальнейшей их обработки.

В настоящее время прокатке подвергаются до 80 % всей выплавляемой

стали и около 50 % цветных сплавов. Заготовки, полученные прокаткой, нахо-

дят широкое применение в производстве и ремонте. Прокаткой изготовляют

подавляющее большинство заготовок для изготовления деталей ковкой, штам-

повкой, сваркой, резанием.

Выделяют три основных вида прокатки: продольную, поперечную и по-

перечно-винтовую.

Рис.21 . Основные детали прокатки:

1 - валки; 2 - заготовка; 3 - оправка (игла)

При продольной прокатке (рис.21 а) заготовка 2 деформируется между

валками 1, вращающимися в разные стороны, и перемещается перпендикулярно

к осям валков.

При поперечной прокатке (рис. 21 б) валки 1, вращаясь в одном правле-

нии, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.

При поперечно-винтовой (косой) прокатке (рис.21 в) валки расположены

под углом и сообщают заготовке при деформировании вращательное и посту-

пательное движения.

Для осуществления процесса прокатки необходимо выполнить опреде-

ленные условия (рис. 22 а). Заготовка подается в валки с некоторой силой Q,

которая вызывает со стороны валков нормальные реакции Р и силу трения Т.

Угол α называется углом захвата, а дуга АВ– дугой захвата. Спроектировав си-

лы Р и Т на горизонтальную ось, получим P-sin α– сила, стремящаяся вытолк-

нуть заготовку из валков; T-cos a - сила, втягивающая заготовку в валки (рис.22,б)

Рис.22 . Схема продольной прокатки: a – момента захвата

заготовки валками; б – установившийся процесс момент захвата

Сортамент проката. В нашей стране почти все изделия, изготавливае-

мые прокаткой, стандартизованы. В стандартах приведены размеры, площадь

поперечного сечения и масса погонного метра профиля. Для балок, швеллеров

и уголков дополнительно стандартизированы: момент сопротивления, момент

инерции, радиус инерции.

Совокупность различных профилей с разными размерами называется

сортаментом проката.

Сортамент прокатываемых профилей разделяется на четыре основные

группы: сортовой, листовой, трубный и специальный.

Сортовой прокат условно делят на простой (круг, квадрат, шестигран-

ник, прямоугольник) и фасонный (тавр, двутавр, рельс, уголок, швеллер и др.).

Круглую и квадратную сталь прокатывают соответственно с диаметром или

стороной квадрата 5–250 мм; шестигранную – с диаметром вписанного круга

6-100 полосовую – шириной 10-200 мм и толщиной 4-60 мм. Цветные металлы

и их сплавы прокатывают преимущественно на простые профили.

Листовой прокат разделяют на тонколистовой (толщиной до 4 мм) и

толстолистовой (толщиной 4–160 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют

фольгой. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым

алюминиевым и полимерным покрытиями.

Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы прокатыва-

ют диаметром 30 – 650 мм с толщиной стенки 2–160 мм, а сварные– диаметром

5–2500 мм с толщиной стенки 0,5– 16 мм.

К специальным видам проката относят колеса, кольца, шары, профили с

периодически изменяющимися формой и площадью поперечного сечения вдоль

заготовки.

Примеры профилей сортового проката показаны на рисунке 23.

Рис.23 . Некоторые профили сортового проката:

а– простого, б– фасонного профиля

Инструмент для прокатки. Инструментом для прокатки являются вал-

ки. Валки бывают: гладкие – для прокатки листов, лент; ступенчатые – для про-

катки полосы и ручьевые– для получения сортового проката.

Вырез на боковой поверхности валка называется ручьем. Ручей верхнего

и нижнего валков в совокупности образует калибр.

Сложные профили проката получают последовательными пропусками ме-

талла через серию калибров; для рельсов число калибров (пропусков) обычно

равно 9, для балок от 9 до 13, для проволоки от 15 до 19. Калибры могут быть

расположены на одной паре валков (при малом количестве), на нескольких па-

рах валков или даже на нескольких прокатных станах (при прокатке сложных

профилей). Комплект валков вместе со станиной называется рабочей клетью.

Прокатные станы. Оборудование, на котором прокатывается металл,

называется прокатным станом. Прокатный стан состоит из одной или не-

скольких рабочих клетей, передаточного механизма и двигателя. Кроме того,

современные прокатные станы оснащены вспомогательными механизмами для

механизации процесса прокатки.

По числу и расположению валков в рабочей клети различают следующие

группы станов:

ду–станы – с двумя валками в каждой клети: нереверсивные, имеющие

постоянное направление вращения, и реверсивные, в которых металл можно

пропускать в обе стороны;

трио– станы– с тремя валками в каждой клети. В одну сторону заготовку

пропускают между нижним и средним, а другую - между средним и верхним

валками;

многовалковые– с четырьмя (кварто-станы), шестью (сексто-станы) и

большим (до 20) количеством валков. Рабочими являются только два валка, ос-

тальные – опорные;

универсальные – имеющие не только горизонтальные, но и вертикальные

валки.

По назначению прокатные станы делятся на следующие виды:

обжимные, служащие для предварительного обжатия слитков в крупные

заготовки. К ним относятся блюминги и слябинги. Блюминг представляет собой

мощный реверсивный дуо-стан; на нем производят квадратную заготовку

(блюм), подвергаемую дальнейшей прокатке для получения сортовых профи-

лей. Слябинг– мощный универсальный двухклетьевой стан (первая клеть имеет

вертикальные валки, вторая – горизонтальные), предназначен для получения

прямоугольного проката (слябов), представляющих собой заготовки для листа;

заготовочные станы предназначены для проката блюмов и слябов в сор-

товую квадратную заготовку и плоскую заготовку (сутунку) сечением меньше,

чем слябы. Эти заготовки используют для последующей прокатки в мелкие

листы и ленту;

рельсобалочные станы – для прокатки рельсов, крупных балок, швеллеров

и других профилей;

сортовые станы предназначены для получения сортового проката. Делят-

ся на крупно-, средне- и мелкосортные;

листопрокатные станы;

трубопрокатные станы служат для производства бесшовных и сварных

труб.

Волочение металла. Волочением называется процесс ОМД, заключаю-

щийся в протягивании исходной заготовки через очко специального инстру-

мента – волоку, имеющую рабочее отверстие меньше, чем поперечное сечение

заготовки. При этом площадь перечного сечения заготовки уменьшается, а дли-

на ее увеличивается.

Величина µ в первых и последних проходах составляет 1,15 – 1,25, при

промежуточных – до 1,45.

Волочением получают проволоку диаметром от 0,002 до 6 мм, трубы от

капиллярных до 200 мм в диаметре, калиброванные прутки разных размеров и

профилей. Изделия отличаются высокой точностью и качеством поверхности,

повышенными прочностными свойствами. Это объясняется тем, что волочение

осуществляется в холодном состоянии.

Схемы волочения показаны на рисунке 24.

Рис.24 . Схемы волочения: а – прутка; б – трубы на длинной оправке;

в– трубы на плавающей оправке

Передний конец исходной заготовки перед волочением заостряется, что-

бы он прошел через отверстие волоки, и его можно было захватить тянущим

устройством. Для уменьшения трения при волочении применяют обильную

смазку, различные предварительные покрытия заготовок, например, меднение,

которое снижает коэффициент трения, а также предохраняет поверхность от за-

дирания.

Напряжение волочения

F

P

z

= σ должно быть меньше предела текучести

σТ материала, иначе выходящий из волоки пруток будет утрачивать форму и

размеры, полученные в отверстии волоки, то есть T Z σ σ < . Для волочения без

обрывов принимается

5 , 2 25 , 1 − =

T

Z

σ

σ

. Инструментом для волочения слу-

жат волочильные доски и волоки (фильеры). Волока (или фильер) представляет

собой кольцо, рабочее отверстие которого состоит из входного конуса , дефор-

мирующей зоны , калибрующего пояска и выходного конуса .

Материалом для них служат инструментальные стали У7, У12, XI2M, твердые

сплавы ВКЗ, ВК6 и другие. Отверстия в волоках из твердых сплавов изготов-

ляются электроискровым методом. Полировка отверстий производится на стан-

ках с помощью специальных игл и абразивных порошков. Волоки для проволо-

ки диаметром менее 0,2 мм изготовляют из технических и естественных алма-

зов.

Технологический процесс волочения состоит из следующих операций:

предварительный отжиг заготовок для получения мелкозернистой структуры

металла (сорбит) и повышения его пластичности; 2) травление заготовок в по-

догретом растворе серной кислоты для удаления окалины; 3) промывка загото-

вок и нейтрализация травильного раствора; 4) заострение концов заготовок в

ковочных вальцах; 5) волочение; 6) отжиг для устранения наклепа; 7) отделка

готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины).

Оборудование для волочения называют волочильными станами. В основ-

ном применяются два типа станов: цепные и барабанные. Барабанные воло-

чильные станы применяются для таких профилей, которые могут наматываться

на барабан; это прежде всего относится к проволоке (рис.25).

Рис.25 . Схема барабанного волочильного стана:

1– катушка; 2– волоки; 3 – тяговые шайбы; 4– приемный барабан

Для волочения проволоки применяют станы многократного волочения,

число волок которых достигает 20 и даже более. Волоки располагаются в ряд

по уменьшающемуся сечению. После каждой волоки установлен барабан, кото-

рый обладает тянущим устройством и одновременно является вертушкой, подающей проволоку для волочения через следующую волоку. Проволока с одно-

го барабана сматывается, а на другой наматывается. На последний барабан про-

волока только наматывается

Сущность и области применения ковки. Ковка – процесс деформирова-

ния горячей заготовки между бойками молота или пресса. При этом течение

металла происходит в направлениях, не ограниченных поверхностями инстру-

мента, поэтому ее называют свободной. Ковкой достигается не только требуе-

мая форма поковок, но и значительно улучшаются ее первоначальные свойства

и структура.

Свободная ковка применяется в мелкосерийном и индивидуальном произ-

водствах, особенно широко в ремонтных условиях, когда создание сложных и

дорогих штампов экономически нецелесообразно. Кроме того, свободная ковка

является практически единственным способом изготовления тяжелых поковок

типа валов электрогенераторов, стволов артиллерийских орудий и других.

Исходной заготовкой при ковке служат слитки массой до 350 тонн (для

крупных поковок), блюмы и сортовой прокат (для средних и мелких).

Ковка делится на ручную и машинную. Ручная ковка применяется для

ремонта вооружения в полевых условиях. В состав подвижных ремонтных ор-

ганов входит кузнечный пост для обработки поковок массой до 2 кг (нагрева-

тельный горн, наковальня и кузнечный инструмент). Машинная ковка, осуще-

ствляемая на кузнечно-прессовом оборудовании, является основным методом,

применяемым на заводах основного производства.

К преимуществам ковки по сравнению с другими способами ОМД отно-

сятся: ее универсальность в отношении массы, формы и размеров заготовки;

отсутствие затрат на дорогостоящую технологическую оснастку; возможность

использования маломощных машин-орудий благодаря концентрированному

приложению усилий ковки бойками в небольшом объеме деформируемого ме-

талла.

Величина деформации при ковке оценивается коэффициентом укова

у=F0/F1, где F0 и F1 - площадь поперечного сечения заготовки до и после де-

формации. Чем металл лучше прокован (т. е. чем больше уков), тем выше каче-

ство металла. Практикой установлено, что при ковке конструкционных и

ствольных сталей величина укова должна быть не менее 3–5.

Технологические операции ковки. Получение любой поковки возможно

последовательным применением элементарных операций: осадки, протяжки,

раскатки, закручивания, гибки, рубки, прошивки и некоторых других.

Осадка– увеличение площади поперечного сечения заготовки за счет

уменьшения ее высоты. Разновидностью осадки является высадка – местная

осадка для получения утолщений, головок болтов, фланцев и т. п.

Протяжка– удлинение заготовки за счет уменьшения поперечного сечен

Разновидности: вытяжка на оправке и раскатка на оправке – для обработки по-

лой поковки, например, заготовки орудийного ствола.

Гибка – придание заготовке изогнутой формы по заданному контуру.

Закручивание– поворот части поковки вокруг продольной оси (изготовле-

ние коленвалов, сверл и т. п.).

Рубка – отделение одной части заготовки от другой или удаление излиш-

ков металла (вырубка).

Прошивка– получение отверстий в сплошной заготовке.

Ковка в подкладных штампах применяется при изготовлении партии

одинаковых поковок небольших размеров (гаечные ключи, болты и т. п.).

Инструмент для ковки. Технологический процесс ковки осуществляется

при помощи различных инструментов и приспособлений. Кузнечный инстру-

мент делится на основной, вспомогательный и мерительный.

К основному относится инструмент (рис.26), с помощью которого заго-

товке придается требуемая форма: а) бойки – плоские, скругленные и вырез-

ные; б) обжимки – для отделочных операций; в) раскатки – для создания углуб-

лений и для расплющивания; г) топоры – для рубки и вырубки;

д) прошивки – для прошивания отверстий.

Вспомогательный – инструмент для захвата, перемещения и вращения за-

готовки (клещи, патроны, воротки, лебедки и т.п.).

Мерительный – инструмент для контроля размеров и формы поковок

(кронциркули, линейки, угольники, шаблоны и пр.).

Рис.26 . Основной кузнечный инструмент

Ковочное оборудование. Машины для свободной ковки делятся на две

группы: динамического действия (молоты) и статического действия (прессы).

Молоты деформируют металл ударом. Основными видами молотов, при-

меняемых в настоящее время для ковки, являются пневматические и паровоз-

душные. Достоинством молотов является лучшее качество поверхности поко-

вок, так как при ударах хорошо отбивается окалина. Однако молоты большой

мощности сильно сотрясают почву, требуют мощных фундаментов, создают

большой шум. Поэтому на молотах куют поковки массой не более 1–5 тонн.

Прессы приводятся в действие с помощью жидкости (воды, масла) и раз-

вивают усилия до 10 000 тонн. На этих прессах можно ковать поковки массой

до 250 тонн и более. Достоинством прессов являются: большие мощности, бес-

шумность работы, высокий КПД. Разработка технологического процесса ковки включает:

• Составление чертежа по ковке по чертежу детали с учетом припусков

на последующую обработку, допусков и, в случае необходимости, напусков.

• Расчет размеров и массы заготовки по номинальным размерам, обозна-

ченным на чертеже поковки.

• Выбор кузнечных операций и установление их последовательности с

указанием основного, вспомогательного и мерительного инструмента.

• Установление режима нагрева и выбор нагревательного устройства .

• Выбор кузнечного оборудования и его мощности.

Штамповка металла. По видам штамповка делится на: а) горячую и хо-

лодную; б) объемную листовую. Объемная штамповка может быть горячей и

холодной (для окончательного придания точности формы и размеров), а листо-

вая как правило, производится только в холодном состоянии.

Объемная штамповка (ковка в штампах) – процесс деформирования заго-

товки в стальных формах – штампах.

При объемной штамповке течение металла ограничивается поверхностя-

ми полостей штампа. При смыкании штампа металл заполняет полость (ручей),

и образуется изделие – поковка (рис.27).

Рис.27 . Схема штамповки в одноручьевом штампе:

1,2 – верхняя и нижняя части штампа; 3 – заготовка; 4– поковка

Объемная штамповка нашла широкое применение в производстве артил-

лерийского вооружения. Более 20% всех деталей артиллерийского орудия по-

лучают объемной штамповкой (детали полуавтоматики, ударноспусковых ме-

ханизмов стрелкового оружия, детали боеприпасов, рычаги, вилки, шестерни и

др.). Получаемые поковки имеют точность 9–11 квалитетов и шероховатость

R,=40 – 10 мкм.

По сравнению со свободной ковкой объемная штамповка имеет ряд преимуществ: 1. Высокая производительность – в десятки раз больше, чем при свободной ковке. 2. Однородность и точность получаемых поковок. Допуски при горячей штамповке в 3 – 4 раза меньше, чем при свободной ковке. После холодной калибровки допуски могут достигать ±0,1мм и даже ±0,05 мм, а качество поверхности можно получить такое, что не требуется в ряде случаев обработки резанием. 3. Возможность получения деталей очень сложной формы, совершенно поддающихся изготовлению свободной ковкой без напусков.

4. Штамповке свойственны и некоторые недостатки:

1. Ограниченность штампованных изделий по массе. В настоящее время преимущественно штамповкой изготавливают изделия массой до 100 кг, однако штамповочное производство непрерывно развивается в направлении увеличения массы поковок. Иногда изготовляют поковки массой до 2 тонн;

2. Высокая стоимость штампа, который в отличие от универсального инструмента свободной ковки является узкоспециализированным, т. е. годным для изготовления только одной определенной поковки.

Поэтому штамповка выгодна лишь в серийном и массовом производствах.

В качестве исходного материала применяется сортовой прокат, прессованные прутки, литая заготовка. В крупносерийном производстве часто применяется прокат периодического профиля, что сокращает подготовительные операции.

Штамповка может быть облойная (с заусенцем) и безоблойная (без заусенца).

Облойная штамповка отличается тем, что поковка по месту разъема штампа имеет заусенец (облой). Заусенец получается потому, что в штампе имеется специальная канавка вокруг ручья для помещения избытка металла (облоя). При этом полость штампа хорошо заполняется металлом, так как объем заготовки берется больше объема ручья штампа. Такие штампы называются открытыми (рис.). Облойный способ, несмотря на потери металла, получил большое распространение, так как в этом случае надежно обеспечивается заполнение полостей штампа, а объем заготовки может быть лишь приблизительно равен необходимому. По окончании штамповки облой удаляется на обрезных штампах (рис.28).

Безоблойная штамповка производится в закрытом штампе. Заготовка помещается в полость одной части штампа, а другая часть входит в первую как в направляющую.

В зависимости от сложности получаемого изделия и вида применяемой готовки штамповка может быть одноручьевой или многоручьевой.

При многоручьевой штамповке заготовка штампуется последовательно в нескольких ручьях. Каждый ручей имеет определенное назначение, и их разделяют на следующие виды:

1.Штамповочные: чистовой (окончательной) и предварительный (черновой).

В зависимости от сложности получаемого изделия и вида применяемой готовки штамповка может быть одноручьевой или многоручьевой.

При многоручьевой штамповке заготовка штампуется последовательно в нескольких ручьях. Каждый ручей имеет определенное назначение, и их разделяют на следующие виды: 101

1.Штамповочные: чистовой (окончательной) и предварительный (черновой).

Рис.28 . Схема облойной штамповки в открытом штампе:

1,2 – части штампа; 3 – заготовка; 4 – заусенец (облой); 5 – канавка для облоя

2.Заготовительные: протяжной, подкатной, формовочный, гибочный.

3. Отрезной (нож).

Окончательный ручей имеется во всяком штампе; остальные ручьи применяются в тех или иных комбинациях в зависимости от конфигурации поковки.

Окончательный ручей служит для получения готовой поковки и представляет собой точное отображение последней, но с размерами, большими на величину усадки металла. Вокруг открытого чистового ручья имеется канавка для заусенца.

Предварительный ручей служит для снижения износа окончательного ручья и придания заготовке формы, близкой к заданной. Отличается от чистового несколько большими штамповочными уклонами и отсутствием канавки для облоя.

Заготовительные ручьи используют для первоначальной обработки с целью постепенного приближения формы заготовки к форме готового изделия.

Формовочный ручей служит для придания заготовке формы, соответствующей форме поковки в плоскости разъема.

Пережимной ручей используют в тех случаях, когда нужно создать местное уширение за счет незначительного перераспределения металла вдоль оси.

Подкатной ручей служит для значительного увеличения одних поперечных сечений за счет уменьшения других, то есть для перераспределения объема металла вдоль оси заготовки.

Протяжной ручей используется для увеличения длины отдельных участков заготовки за счет изменения их поперечных размеров, когда длина заготовок меньше длины поковки.

Гибочный ручей служит для изгиба заготовки и придания ей формы, соответствующей форме поковки в плоскости разъема. В следующий ручей заготовку передают с поворотом на 90° вокруг ее оси.

Отрезной ручей применяют, когда нужно отделить поковку от прутка, при удалении клещевины, при разрубке поковок на части.

Штампы для горячей штамповки работают в очень тяжелых условиях.

Поэтому штамповая сталь должна обладать высокими механическими свойст-

вами прочностью, ударной вязкостью, твердостью и сохранять эти свойства при

повышенных температурах. Кроме того, нужны износостойкость и хорошая об-

рабатываемость резанием. Штампы изготавливают из специальных сталей

5ХНМ, 5ХГМ, ХНТ, Х12Ф, Х12М и др.

Штамповка так же, как и ковка, может производиться на молотах и прес-

сах.

Достоинства молотов: большая универсальность, меньшая стоимость

оборудования, хорошо отделяется окалина от удара.

Достоинства прессов: повышенная точность из-за отсутствия ударной

нагрузки; большая производительность за счет того, что штамповка осуществ-

ляется за один ход ползуна, а не за несколько ударов на молоте; большая безо-

пасность работы и отсутствие сотрясений почвы; ниже требуемая квалифика-

ция рабочего.

Листовая штамповка – способ изготовления тонкостенных изделий из

листового материала, ленты или полосы с помощью штампов. Листовой штам-

повкой обрабатывают все технические металлы и их сплавы, картон, пластмас-

сы, кожу и другие материалы. Очень много разнообразных по конфигурации

деталей можно получить совмещая в технологическом процессе листовую

штамповку и сварку. Так получают детали гильзы, корпуса ракет, бензобаки,

баллоны и т. д.

Характерным для листовой штамповки является то, что толщина стенок

деталей обычно мало отличается от толщины исходной заготовки.

В зависимости от толщины заготовки штамповку делят условно на тонко-

листовую (до 4 мм) и толстолистовую (свыше 4 мм).

Широкое распространение листовой штамповки объясняется тем, что

этот процесс дает возможность:

I.Обеспечить очень высокую производительность (до 6–1 000 – 50 000 де-

талей в смену с одного штампа).

2.Механизировать и автоматизировать штамповочные работы, что облег-

чает труд рабочего.

3.Обеспечить достаточно высокую точность деталей, а следовательно, их

взаимозаменяемость.

4.Получить детали с хорошим качеством поверхности.

Все разнообразные по форме и размерам детали получают, применяя по-

очередно отдельные элементарные операции. Операции листовой штамповки

можно разделить на две группы: разделительные, в которых одну часть заго-

товки отделяют от другой (отрезка, вырубка, пробивка), и формоизменяющие, в

которых происходит перемещение одной части заготовки относительно другой

без разрушения (гибка, вытяжка, формовка, обжим, отбортовка, закатка, правка

и некоторые другие). Рассмотрим основные из этих операций. 103

Отрезка–отделение части заготовки по незамкнутому контуру. Осущест-

вляется на ножницах с параллельными ножами, гильотинных и дисковых.

Вырубка–отделение части заготовки по замкнутому контуру, причем от-

деляемая часть является изделием (рис.29 а).

Рис.29 Операции листовой штамповки:

а – вырубка и пробивка; б – гибка; в – отбортовка; г – вытяжка;

д – обжим; е – раздача

Пробивка– отделение части заготовки по замкнутому контуру, причем

отделяемая часть является отходом. Эти две операции, отличающиеся только

по назначению, осуществляются при помощи штампа, состоящего из пуансона

1 и матрицы 2.

Гибка– придание плоской заготовке изогнутой формы по заданному кон-

туру (рис. 29 б).

Отбортовка– образование борта (горловины) по внутреннему или на-

ружному контуру листовой заготовки (рис. 29 в).

Вытяжка– образование полой детали из плоской заготовки (рис.29 г). Во

избежание образования складок осуществляют вытяжку с прижимом. Если за

одну вытяжную операцию изделие получить невозможно, применяют несколь-

ко последовательных вытяжек. Между операциями производят отжиг, травле-

ния для снятия окалины, промывку и сушку.

Сущность операций обжима и раздачи ясна из рисунка 29 д, е.

Формовка – операция, дающая местное изменение формы. Формовку

применяют при изготовлении ребер жесткости средней части полого изделия и

т. д. Формовку осуществляют с помощью резиновых вкладышей, жидкости,

взрывов и т. д.

В качестве машин–орудий при листовой штамповке применяют различ-

ные прессы : кривошипные, фрикционные, гидравлические.

Все прессы можно разделить на прессы простого и двойного действия.

У прессов простого действия имеется только один ползун, на котором ук-

репляется пуансон. Такие прессы используются для вырубки, прошивки, гибки

и простой вытяжки. 104

Прессы двойного действия имеют два ползуна. Наружный ползун обеспе-

чивает прижим листовой заготовки, внутренний главный ползун выполняет ос-

новную операцию штамповки (вытяжку, гибку или формовку).

Основным инструментом при листовой штамповке является штамп, ко-

торый состоит из рабочих элементов (пуансона и матрицы) и ряда вспомога-

тельных устройств (рис.30).

Рис.30 . Штамп для вырубки:

1 – пуансон; 2 – направляющие колонки; 3 – матрица,

4 – планки; 5 – упор; 6 – съемник

Пуансон крепится к ползуну пресса, матрица – на столе. Чтобы обеспе-

чить совпадение осей матрицы и пуансона, перемещение верхней плиты вы-

полняют по направляющим втулкам. Во многих штампах имеются съемники,

выталкиватели и другие устройства. Для направления подаваемого в матрицу

металла используются направляющие планки.

Ротационное обжатие. Ротационным обжатием (редуцированием) на-

зывают способ формообразования давлением сплошных и полых деталей – тел

вращения переменного сечения вдоль оси. Редуцирование методом ротацион-

ного обжатия осуществляется как в горячем, так и в холодном состоянии, что

обеспечивает экономию металла на 5 – 25 %, повышает производительность в

20– 31 роз и повышает исходные прочностные показатели до 50 %.

Ротационное обжатие осуществляется на специальных ротационно-

обжимных машинах. Схема головки одношпиндельной ротационно-обжимной

машины с одной парой матриц показана на рисунке 31 а, б, а общий вид на ри-

сунке 31 в.

105

Рис.31 . Схема ротационно-обжимной машины

Головка, закрепленная неподвижно в корпусе станины, имеет в передней

части отверстие, в которое запрессовано закаленное кольцо. Между кольцом и

шпинделем 3 помещена обойма 4 с четным числом роликов 2. Боковые поверх-

ности роликов частично выступают со стороны внутренней поверхности обой-

мы. Шпиндель 3, вращающийся с определенной скоростью, имеет диаметраль-

ный паз, по которому бойки с матрицами 5 совершают возвратно- поступатель-

ные движения в радиальном направлении.

Движение матриц от центра происходит за счет центробежной силы, а к

центру (рабочее движение) – от давления роликов 2, установленных в обойме 4

на ролики 1. При движении к центру матрицы рабочими поверхностями дефор-

мируют металл заготовки 6. Теоретическое число обжатий в минуту N опреде-

ляют по формуле

N = n·k,

где п– число оборотов матриц в минуту; k– число роликов в обойме.

Заготовка подается в матрицы, коническая часть которых обжимает пе-

редний конец ее в течение нескольких последовательных ударов. После каждо-

го совместного удара (обжатия) в момент, когда матрицы находятся в разжатом

положении, следует осевое движение подачи заготовки. Величина подачи зави-

сит от диаметра заготовки, степени деформации и свойств материала заготовки

(рис.31).

При изготовлении небольшого числа деталей, деформируемых с малыми

обжатиями, подача заготовок осуществляется вручную, длинные же заготовки

даются автоматически, для чего в ротационно-обжимной машине предусматри-

вается специальное приспособление. Отсутствие огранки при редуцировании

цилиндрического сечения обеспечивается большим числом наносимых ударов в

минуту.

Точность размеров при редуцировании соответствует 6-8 квалитетам, а

шероховатость поверхности – RZ= 2,5– 0,8 мкм.

Порошковая металлургия. Порошковая металлургия–отрасль техноло-

гии, занимающаяся изготовлением материалов и деталей из металлических по-

рошков. 106

Порошковая металлургия позволяет получать материалы и детали, обла-

дающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнит-

ными свойствами; полупроводниковые материалы, материалы, не смешиваю-

щиеся в оплавленном виде и не образующие твердых растворов, пористые ма-

териалы, материалы высокой чистоты, заданного химического состава и др.

Методами порошковой металлургии зачастую могут быть получены дета-

ли, которые получают и литьем, но при этом потери значительно меньше:

3– 7%, тогда как при литье они достигают 50– 80%. Механические свойства по-

лученных изделий незначительно уступают свойствам литых и кованых изде-

лий. Изделия, полученные порошковой металлургией, по точности размеров и

шероховатости поверхности не требуют дополнительной обработки.

Сущность способа заключается в спекании при высокой температуре

специально подготовленного брикета. Брикет получают прессованием металли-

ческих порошков под давлением. По форме и размерам брикет представляет

собой будущую деталь.

Металлические порошки получают двумя основными методами: механи-

ческим (размол в шаровых или вихревых мельницах) и физико-химическим

(восстановление из окислов, электролиз и др.).

Технологический процесс металлокерамики складывается из следующих

операций: 1) приготовление шихты требуемого состава; 2) дозирование;

3) формование детали; 4) спекание; 5) калибровка.

Сначала порошки очищают химическим, гидромеханическим или маг-

нитным способами, затем проводят измельчение для выравнивания зернистости

в шаровых мельницах. Возникающий при этом наклеп снимают отжигом в за-

щитой атмосфере. Далее шихту просеивают и смешивают в вибрационных или

барабанных смесителях.

Полученную шихту дозируют по массе или по объему.

Формование (получение брикета заданной формы и размеров) осуществ-

ляют путем прессования в стальных пресс-формах, реже прокаткой (для полу-

чения листа, полосы или ленты). Прессование осуществляют на механических и

гидравлических прессах, жидкостью через пластичную оболочку, взрывом и т.

д. В зависимости от размеров детали применяют одностороннее или двухсто-

роннее прессование.

Спекание отформованных брикетов (деталей) п изводят в водородных или

вакуумных печах при температуре tсп=(0,7–0,8) tпл °С, где tпл– температура

плавления основного компонента шихты.

В результате спекания происходит настолько прочное сцепление частиц

порошка (вследствие диффузии), что отдельные частицы порошка как бы пере-

стают существовать самостоятельно. В результате спекания, происходит:

а) упрочнение и изменение физико-химических свойств, вследствие изменения

величины и качества контактных участков; б) изменение размеров детали

(усадка или рост); в) изменение микроструктуры (рост зерен и др.).

Время спекания составляет 0,5–6 часов. Горячее прессование, заключаю-

щееся в одновременном прессовании и спекании, сокращает время в 20–30 раз, 107

производится при более низкой температуре и давлении, чем спекание. Однако

недостатком горячего прессования является малая стойкость преесформ.

Калибровка в специальных пресс–формах (после спекания) при давлени-

ях до 1000 МПа повышает точность до 8 - 10 квалитетов и снижает шерохова-

тость поверхности до RZ= 10–3,2 мкм. После калибрования на поверхность де-

тали можно наносить любое гальваническое или другое покрытие. Размеры ка-

либровочных пресс–форм должны отличаться от номинальных размеров детали

на величину упругого последействия, составляющего 0,11 – 0,12%.

Рассмотренная технология нашла самое широкое применение в промыш-

ленности, в том числе и при производстве и ремонте вооружения. Так получают

весь твердосплавный режущий инструмент (из смеси порошков карбидов

вольфрама, титана, тантала и связки – кобальта); жаропрочные спеченные алю-

минием порошки (САП) и сплавы (САС); спеченные ленту и проволоку для на-

плавки при восстановлении деталей вооружения; пористые спеченные материа-

лы с заданным размером пор для изготовления подшипников, фильтров и т. п.;

спеченные материалы с закрытыми порами (газонаполненные материалы), сер-

дечники бронебойных снарядов (из порошков карбидов тяжелых металлов) и

многое другое.

В состав спеченных материалов (их называют псевдосплавами) можно

включать неметаллические компоненты – графит, глинозем, карбиды, бориды,

придающие им особые свойства. Получить обычные (литые) сплавы с такими

свойствами невозможно. По такой технологии получают детали из ферритов,

альсиферов и других материалов.

В последнее время все шире порошковая металлургия применяется для

получения деталей из обычных конструкционных материалов (стали, чугуны,

цветные сплавы и т. п.). Объясняется тем, что этой технологии свойственны ис-

ключительно малые отходы. Так, при изготовлении артиллерийского ствола по

обычной технологии (ковка) коэффициент использования металла не превыша-

ет 0,3 – 0,4, а по методу порошковой металлургии он будет близок к 0,95.

Лекция 15. Технико-экономические показатели и критерии выбора

рациональных способов обработки металлов давлением

Выбор способа получения поковок из различных сплавов. Уже при проекти-

ровании детали конструктор должен представлять способ ее изготовления, толь-

ко в этом случае конструкция будет отвечать требованиям технологичности.

Выбор способа основывается на большом числе конструктивно-

технологических признаков детали и технико-экономических показателей видов

и способов обработки металлов давлением.

Конструктивно-технологическими признаками детали, определяющими техноло-

гию изготовления обработкой давлением, являются ее форма, масса, габаритные

размеры, марка материала и тип производства.

По форме детали, получаемые методом пластического формоизменения,

укрупненно можно отнести к трем основным группам: детали, имеющие опреде- 108

ленный профиль поперечного сечения по длине, существенно превышающей

размеры сечения; детали в виде оболочек постоянной или незначительно отли-

чающейся толщины; объемные детали.

Согласно такому группированию в данном разделе изложены виды обра-

ботки металлов давлением. При выборе конкретного способа могут учитывать-

ся различные конструктивные признаки детали: опорные внешние и внутрен-

ние очертания, соотношения главных размеров, площадей поперечного сечения

и др.

Масса и габаритные размеры детали определяют прежде всего темпера-

турный режим обработки давлением. С их увеличением преобладающим стано-

вится горячее деформирование, при котором обеспечивается меньшее давление

на инструмент и меньшая сила, необходимая для деформирования. Поковки

диаметром более 150–200 мм получают, как правило, горячим деформировани-

ем.

Свойствами материала, определяющими выбор способа обработки давле-

нием, являются его технологическая пластичность и сопротивление деформи-

рованию. Технологическая пластичность (т. е. способность материала к пласти-

ческому формоизменению при конкретных схеме и условиях деформирования)

особенно строго регламентируется в условиях применения холодной обработки

давлением.

Ввиду пониженной технологической пластичности высоколегированных

сталей и труднодеформируемых сплавов их предпочтительно деформировать

такими способами, при которых значительно снижаются растягивающие на-

пряжения. Например, при ковке протяжку целесообразно выполнять в вырезных

бойках, при штамповке предпочтительнее применение закрытых штампов, в

которых схема неравномерного всестороннего сжатия проявляется полнее и в

большей степени способствует повышению пластичности, чем при штамповке в

открытых штампах. По этой же причине наиболее предпочтительна штамповка

выдавливанием.

Высоколегированные стали склонны к интенсивному упрочнению, по-

этому для их горячего деформирования целесообразнее использовать способы,

осуществляемые на прессах, а не на молотах. Ввиду меньшей скорости дефор-

мирования на прессах разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация)

успевают произойти полнее, и упрочнение снижается. Малопластичные алюми-

ниевые (АК8, В93 и др.), магниевые (МА8), титановые сплавы также предпочти-

тельно ковать и штамповать на прессах, так как у них пластичность снижается

при высоких скоростях деформирования. При этом для уменьшения остывания

металла и повышения равномерности деформации штампы подогревают до тем-

пературы 200 – 400 °С. Поковки из некоторых

тру дно деформируемых сплавов получают изотермической штамповкой.

Во избежание трещин заготовки от прутка из высоколегированных ста-

лей отрезают с подогревом до температуры 400 – 700 °С.

Заготовки, имеющие литую структуру, обладают, как правило, меньшей пла-

стичностью, чем уже деформированный металл, что необходимо учитывать при 109

выборе способа деформирования. Например, предварительно деформированные

прутки из алюминиевых сплавов (АК5, АК6) можно подвергать ковке, тогда

как слитки этих сплавов при ковке разрушаются.

Тип производства может оказывать решающее влияние на выбор способа

получения поковок, так как в условиях крупносерийного и массового производ-

ства рентабельны способы деформирования с использованием специальной

технологической оснастки. С уменьшением количества одинаковых деталей

может окупаться более простая и дешевая оснастка.

В мелкосерийном и единичном производствах применяют ковку с исполь-

зованием универсального инструмента. При этом поковка имеет припуски и

напуски, большие, чем при штамповке. Для более точной оценки того или иного

способа пластического формоизменения в связи с программой производства

необходимо установить критическую серийность, т. е. такие размеры серий, при

которых два сравниваемых между собой варианта оказываются одинаково эко-

номически целесообразными. Для этого строят графическую зависимость се-

бестоимости деталей от программы их выпуска для различных способов изго-

товления.