Обработка металлов давлением.

Обработка металлов давлением.

Сущность обработки металлов давлением.

Обработка металлов давлением (ОМД) обеспечивает нужное формоизменение металла благодаря его способности по пластичному деформированию. ОМД может выполнятся в холодном и горячем состоянии. Холодная деформация требует удельных (на единицу объема ) усилий.Это связано с тем, что холодный металл значительно прочнее горячего.Кроме того при холодной деформации он упрочняется -наклепывается. Поэтому холодной деформации подвергают небольшие объемы пластичного металла(небольшие детали, гайки, болты и т.п.).Преимущество холодной деформации - отсутствие окисления, температурных колебаний размеров.В результате выше качество поверхности и точность размеров деформированной заготовки.

Горячая деформация осуществляется при нагревании металла выше температуры рекристаллизации (t_p.^oc).Рекристаллизация - структурные (внутренние) изменения в металле, устраняющие эффекты наклепа.

Температуру рекристаллизации (T_p^oK) можно ориентировочно определить по формуле

T_p.^oK=0.4-0.7 T_пл, ⁰K,

Где T_пл, ⁰K-температура плавления металла в ^оК.Зная T_пл, ⁰K, не трудно определить t_p.^oс =T_p.^oK-273^ос.Минимальное значение коэффициента(0, 4)-для чистых металлов, с увеличением легирующих, обычно тугоплавких коэффициент увеличивается.При горячей деформации нагревают значительно (300-500⁰с) выше t_p^oc. Чем выше температура нагрева металла, тем ниже его прочность (ниже сопротивление деформации ) и выше пластичность.Поэтому деформацию в позволяющем большинстве случаев делают горячей.Высокая температура нагрева исключает охлаждения деформированного металла ниже температур рекристаллизации.Наклеп, возникающий в самом процессе деформации устраняется сразу после ее прекращения.Чтобы наклеп при деформации не достиг больших значений деформацию делают дробной: в перерывах между двумя обжатиями металл рекристализуется.Недостатками горячей деформации является: окисление поверхности заготовки, пониженная, в сравнении с холодной деформацией, точность размеров.

Как при горячей, так и при холодной деформациях в металле формируется волокнистость. Ее появления вызваны вытягиванием вдоль деформации дендритов и неметаллических включений. Если основные напряжения при работе детали направлены вдоль волокон, изгибают или скручивают их, то волокнистость повышает работоспособность деталей. При напряжениях, действующих на разрыв или срез волокон, она снижает работоспособность.

О показателях деформации судят по изменению геометрических размеров деформируемой заготовки:

относительное обжатие E= ((H_исх-H _кон) /H_исх)*100%

вытяжка m=L_кон/L_исх*100%=F_исх /F_кон*100%

Здесь H-высота, L-длина, F-площадь поперечного сечения, исх - исходное, кон -конечное. m обычно в пределах 1.1-1.6 за обжатие.Оно тем больше, чем пластичней металл и ниже его склонность к наклепу.

Применяют следующие основные виды деформации:

прокатка- деформация между вращающимися валками;

прессование - выдавливание металла из полости (контейнера) через отверстие;

волочение- протягивание металла через отверстие;

ковка - деформация между двумя бойками;

штамповка объемная - деформация в полости, образуемой двумя штампами;

штамповка листовая - деформация листового металла.

Нагрев металлов перед обработкой давлением.

Наиболее ответственно и качественно должны нагреваться слитки, так как литой металл имеет низкую пластичность. Возможно образование трещин как при нагреве, так и при деформации. Нагревают обычно в нагревательных печах и реже в нагревательных устройствах (индукторах, установках контактного нагрева).

Посадка слитков в печи может производиться в не охлажденном после кристаллизации состоянии(поверхность больше 700^оС) или в холодном состоянии.

Горячий всад позволяет экономить тепло, уменьшить время нагрева и потери металла на окислении (окалину). Недостаток такого всада в том, что дефекты поверхности слитков при деформации потягиваются.При их удалении (зачистке) повышенный расход металла и трудозатрат.

Перед холодным высадом слитки зачищают от поверхностных дефектов. Это сокращает расход металла и трудозатрат при зачистке деформированного металла. Недостаток этого метода - в повышенном расходе тепла на нагрев.

Нагрев должен производиться постепенно, чтобы исключить значительных перепадов температуры и напряжений по сечению и предотвратить образование трещин. Особенно на легированном металле имеющем пониженную теплопроводность. Холодный всад слитков применяют для высоколегированного металла с тем, чтобы уменьшить расход металла на зачистку дефектов.

Нагрев металлов осуществляют до температур исключающих проникновение в него кислорода. Это ~ 0, 8t_{плавления}, ^оС.Если кислород проникнет на значительные глубины, возникнет неисправимый дефект - пережог металла. Такой металл подлежит переплаву.

При горячем всаде слитки помещают (" садят" ) вертикально вдоль стенок нагревательных колодцев (рис.3.1).

При холодном всаде слитки помещают горизонтально в методическую печь (рис.3.2.). Температура постепенно повышается по длине печи. Ряд слитков, проталкиваемых через печь, постепенно нагревается. Для повышения теплового КПД печи такие печи снабжены рекуператорами. В рекуператорах нагреваемый воздух поступает по керамическим трубам, обогреваемый отходящими из печи газами. По принципу рекуперативного обмена тепла работают бытовые топочные печи в индивидуальных домах. Методические печи используются также в прокатных цехах машиностроительных заводов при нагреве заготовок большого сечения (от 200*200 до 350*350).В этом случае они позволяют обеспечить также непрерывность подачи нагретых заготовок под прокат.

В кузнечно-штамповочных цехах используют обычно камерные печи (рис.3.3.). Заготовки садят в холодном состоянии, при небольших размерах - вручную, при значительных размерах - с помощью манипулятора.

Электронагревательные устройства (индукторы, установки контактного нагрева) используют для нагрева небольших заготовок.

Прокатное производство.

Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов.

3.3.1.Сущность процесса прокатки.

В зависимости от типа заготавлеваемых деталей применяют три основных вида прокатки (рис.3.4.) продольную (а), поперечную (б), поперечно-винтовую (в).

См.Рис.3.4.

При продольной прокатке металл (2) втягивается вдоль оси силами трения Р_тр и обжимается между двумя валками(1), вращающимися в разные стороны. Металл вытягивается вдоль своей оси. Этот вид прокатки применяется для изготовления профильного (сортового) и листового проката. Это наиболее распространенный вид проката (до 90% прокатной продукции).

Поперечную и косую прокатку (поперечно-винтовую) применяют для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения. При поперечно- винтовой и поперечной прокатке валки (1) вращаясь в одном направлении, вращают и деформируют заготовку поперек оси. При поперечно-винтовой прокатке валки(1) располагаются под углом один к другому благодаря чему заготовка кроме вращательного движения получает поступательное. Это позволяет надвигать ее на прошивку и получать цельнотянутую трубу(бесшовную). Процесс прошивки облегчен растягивающими напряжениями, возникающими по оси при косой прокатке.

Периодические профили.

Их чаще всего получают на трехвалковых станах.

Пресспрокатка.

Этим методом можно получать весьма сложные сплошные и полые заготовки из порошковых материалов

См. Рис.3.13.

Постоянные по длине заготовки сечения можно получать также прессованием и волочением.

Прессование.

При прессовании металл (1) выдавливается пуансоном (2) из замкнутой полости через отверстие в матрице (3), соответствующее сечению прессуемого профиля (рис.3.14.).

См. Рис.3.14 и Рис.3.15.

Прессованием можно получать как сплошные, так и полые профили. Если необходимо получить отверстие применяют заготовку с отверстием, в которую вводят иглу нужного профиля 4.

Исходной заготовкой является слиток или прокат, поверхность которых должна быть тщательно очищена от окалины. Часто заготовку обтачивают. Преимущества этого вида деформации

1. При прессовании металл подвергается всестороннему сжатию. В этом случае пластичность металла значительно выше, чем при других способах деформации, что позволяет деформировать в горячем состоянии металлы низкопластичные (даже чугуны).

2. Прессованием получают сложные профили, которые не могут быть получены другими видами обработки металлов давлением.

3. Точность прессованных профилей выше, чем прокатанных.

При прессовании в матрице создаются тяжелые условия - высокая температура и большие давления. Велик износ инструмента, особенно в случае прессования сталей. Для уменьшения износа применяют спец. смазки, например, жидкое стекло.

Основным оборудованием являются горизонтальные или вертикальные механические (до100мм.) или гидравлические (до700мм.) прессы. Прессованию подвергают в основном цветные металлы и реже стали.

Изготовляют прутки Æ 3-250мм, трубыÆ 20-400мм при d1, 5-12мм, полые сложные сечения с постоянным или изменяющимся (плавно или ступенчато) сечением по длине. Можно получать практически любые контуры наружного и внутреннего сечения.

Недостатки - пресс-остаток (10-20%), высокая стоимость инструмента, появление в некоторых случаях не равномерности мех. свойств. Уменьшение пресс-остатка возможно при обратном прессовании: матрица закреплена на пуансоне, и заготовка выдавливается в полый пуансон.

Волочение.

При волочении (рис.3.16.) заготовку (1) протягивают через постоянно сужающееся отверстие в инструменте-волоке (3) . Волочение обычно осуществляется в холодном состоянии. Исходные заготовки прокатанные или прессованные прутки и трубы из стали, цветных металлов их сплавов.Если волочение делают только для повышения точности размеров и качества поверхности, то обработку называют калибровкой.

Основные преимущества процесса волочения:

1. Высокая точность получаемых размеров.

2. Высокое качество поверхности.

3. Возможность получения очень тонких профилей.

Усилия необходимые для волочения (рис. 3.17 а) может обеспечиваться за счет вращения барабана (1), на который наматывается проволока, трубы небольшого диаметра, прошедшие через волоку (2).

См. Рис. 3. 17 а

Другим вариантом волочения является прямолинейное движение - протягивания (рис.3.17 б) прутков и труб, которые не могут наматываться на барабан.

См. Рис.3.17 б

- Клещи протягиваются с помощью цепной передачи.

- Усилия волочения понижают с помощью смазок: жидких (масла), жидких с добавлениями талька, графита; сухих - порошков, мыла.

Ковка.

Сущность процесса ковки.

Ковка - это деформация металла между двумя бойками простой или, как говорят, универсальной формы, т.е. пригодной для многих деталей.

Сравним это определение с объемной штамповкой. Объемная штамповка - это деформация между двумя бойками (штампами), образующими полость соответствующую по размерам и форме изготовляемой детали.

Ковка осуществляется последовательными ударами кувалды, бойка молота или нажимами бойка пресса с примением различного инструмента.

В литом металле дендритная структура после уковки более 2, 5 (уковка=F_исх/F_кон) превращается в волокнистую, а в деформированном (прокатанном) металле после уковки более 1, 5 волокнистость приобретает контуры детали. Ковка, как правило, осуществляется в горячем состоянии.

Основные операции ковки.

К основным операциям ковки относятся: осадка 1, высадка 2, протяжка 3, протяжка на оправке 4, раскатка 5, прошивка 6 и 7, рубка 8, сварка 9 и кручение 10(рис3.18.).

При осадке (1) уменьшается высота и увеличивается площадь поперечного сечения. В осаживаемой заготовке H/d должно быть не более 2.5, чтобы не произошло изгиба заготовки.

Осадка части заготовки с целью получения головки (болта) называется высадкой(2).

Протяжку (вытяжку) применяют для увеличения длины заготовки за счет уменьшения толщины: 3-сплошные заготовки, 4- полые.

Прошивку 5, 6 применяют для получения отверстия с помощью прошивки П. После прошивки отверстие доводится до заданных размеров раскаткой 5, выполняемой на спец. оправке.

Рубка осуществляется с помощью топора или зубила для получения заготовок нужной длины. Сначала заготовка подрубается до середины и рубится после поворота на 180^о.

Сварка 9 производится различными методами в нахлестку, в паз, в стык. Металл нагревается значительно выше обычного (стали1300-1400^оС).

Кручение 10 состоит в повороте одной части заготовки относительно другой на заданный угол: (коленвалы, сверла и др.).

Оборудование для ковки.

Ручная ковка выполняется на паковальне с помощью молота и набора инструментов, приспособлений.

Машинная ковка выполняется на молотах (ударное действие) или на прессах (нажимное действие).

Для повышения мощности удара молоты имеют массивную часть (бабу) движущуюся по направляющим. Верхний боек закреплен в пазу бабы. Подъем бабы и нанесение ею удара осуществляют с помощью поршня в рабочем цилиндре (рис.3.19.), перемещаемого в нужном направлении с помощью сжатого воздуха или пара. Рабочий газ подается и после использования выбрасывается через золотник. Работой золотника и, следовательно, молотом управляет машинист по командам кузнеца.

Заготовка укладывается и деформируется на нижнем бойке, он закреплен на массивном основании - шаботе.

Различают пневматический и паро-воздушный молоты. Для работы пневматического молота необходимо только электричество, так как в нем имеется компрессор, обеспечивающий молот сжатым воздухом. Пневмомолота удобны в небольших мастерских, где нет централизованного снабжения сжатым воздухом или паром. Вес поковок не более 20кг. Паро-воздушный молот работает с помощью воздуха или пара при централизованной их подаче, т.е. на крупных предприятиях. Он значительно мощнее пневматического и позволяет деформировать поковки весом до 350кг.

Большие поковки весом до десятков и сотен тонн деформируют на гидропрессах. Они имеют рабочие цилиндры, осуществляющие деформацию, и возвратные(подъемные цилиндры).Каждый гидропресс имеет гидростанцию, создающую высокое давление жидкости (200-4000атм.) В качестве жидкости обычно используют масло (иногда воду). Мелкие поковки подаются и перемещаются на нижний боек вручную. Более крупные - с помощью цепных кантователей, подвешенных крюках крана. Самые крупные поковки подаются и перемещаются при деформации с помощью манипуляторов.

Объемная штамповка металла.

Листовая штамповка

Листовой штамповкой называют изготовление изделий из листового металла с помощью штампов.

Из листов толщиной от 0, 2 до 10 мм штампуют обычно в холодном состоянии, свыше 10 мм - в нагретом до ковочных температур.

Листовой штамповкой получают самые разнообразные детали от мельчайших (например, секундная стрелка) до крупногабаритных (облицовка автомобиля, самолёта, ракеты и др.).

Требования к штампуемым деталям можно найти [2, стр. 164-166].

Операции листовой штамповки

Все операции листовой штамповки делятся на две группы:

а) разделительные операции - в них одну часть заготовок отделяют от другой

б) формоизменяющие операции - в них часть заготовки перемещается относительно другой без разрушения заготовки

К основным разделительным операциям относятся: отрезка, вырубка и пробивка.

Отрезкой называется операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру, например разделение листа на полосы (рис. 3.31)

Для порезки применяют ножницы с параллельными (а), с наклонными (б) ножами, с дисковыми (в) ножами.

См Рис. 3.31

Зазор Z=0.03-0.05S

Скос ножей (гильотинные ножницы) уменьшает усилие резания.

Листовой штамповке подвергают:

а) Н/ у стали: углеродистые, легированные (10ГСА, 25ХГСА и др.), специальные стали и сплавы (10Х13, 40Х13, 12Х18Н10Т и т.п.)

б) Цветные металлы и сплавы на их основе: Медь М1, М3 и её сплавы Л62, ЛС59- 1 и др. Никель Н! и его сплавы НИЦ 62-20 и др. Алюминий. А! и его сплавы Д16, 1395, АМН 6 и др. Сплавы магния МА!, МА8 и др. Сплавы титана ВТ!, ВТ5 и др.

в) Неметаллические материалы: бумагу, картон, эбонит, текстолит, кожу и др.

Точность металлических деталей 10-12 квалитет, а в случае проведения операций дополнительной зачистки и калибровки - 7-8 калите т.

Вырубка и пробивка - это операции отделения заготовки по замкнутому контуру. Вырубка - по наружному контуру детали, пробивка - по внутреннему. Эти операции выполняются с помощью матрицы и пуансона соответствующих профилей.

Матрица - часть штампа с отверстием, пуансон- вторая половина штампа с выступом, входящим в отверстие.

Для обеспечения чистого среза и повышения стойкости инструмента зазор 2 между пуансоном и матрицей должен составить 5-10% от толщины заготовки S (рис 3.32 )

Z=( 0.05-0.10)*S

Перед вырубкой состовляются карты раскроя листового материала с целью сокращения расхода материала ( рис 3.33) Показателем рационального раскроя является коэффициент использования материала К

К= ( Fд / Fзаг )* 100%

Fд - полезная площадь деталей

Fзаг - потребная площадь заготовки

См. Рис 3.33

Формоизменяющие операции

К основным формоизменяющим операциям относятся: гибка, вытяжка, обжимка, отбортовка, формовка.

Гибка - изменение кривизны заготовки практически без изменения её линейных размеров (рис 3.34)

См.Рис 3.34

В процессе гибки одни слои (а) растягиваются, другие (б) сжимаются. Слой заготовки не испытывающий ни растяжения ни сжатия называется нейтральным. Расчёт длины заготовки, изготовляемой гибкой определяется разверткой по нейтральному слою: сжатый слой будет короче, растянутый - длиннее.

При проектировании гибочного стана следует учитывать, что после гибки деталь частично разогнётся, т.е. упругий эффект.( пружинение). Поэтому увеличивают угол гиба, делают чеканку в углу.

Вытяжка - это превращение плоской или полой заготовки в полое изделие (рис 3.35). Различают вытяжку без утонения и с утонением стенок.

а) Вытяжка без утонения стенки

Нажимая пуансоном 1 на заготовку 2 вдавливают её в матрицу 3, получая полую деталь ( например стакан ).

Утонение стенки не происходит благодаря тому, что зазор Z= (1.1-1.3)*S

Деформацию при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжке

Кв = D / d

Допустимые значения коэффициента вытяжки за первый проход 1.8-2.1. Большие значения для более пластичных металлов. Это связано с тем, что при вытяжке металл наклепывается и теряет пластичность.

Вытяжка с утонением стенок (рис 3.36) отличается тем, что зазор между пуансоном и матрицей меньше толщины стенки заготовки ( обычно полой ). Он равен толщине стенок готовой детали.

См.Рис 3.36

При деформации стенка утоняется и удлиняется. Допустимые удлинения стенки ( без разрывов ) в 1.5-2 раза.

Размеры заготовки определяют из условия равенства объёмов заготовки и детали. При необходимости уменьшение толщины стенки к краю, пуансон делают коническим.

Отбортовка (рис 3.37) - это операция с помощью которой на плоской заготовке с отверстием получают горловину (борт ). Допустимое без разрушения ( с образованием продольных трещин ) увеличение диаметра отверстия

dп / do = 1.2-1.8

См.Рис 3.37

Меньшие значения для металлов с пониженной пластичностью.

Для получения больших отношений следует избегать наклепа края отверстия ( сверлить его или делать обжиг )

Отбортовка предпочтительней вытяжка с последующей пробивкой дна. Для получения длинных бортов делают отбортовку с утонением стенки.

Обжим - (рис 3.38 ) это уменьшение диаметра верхней части вытянутой полой детали. Рабочим инструментом является матрица.

См. Рис 3.38

Чтобы не произошло образования продольных салазок на обжимной части или поперечных салазок на необжимаемой части цилиндра необходимо не превышать рекомендуемых соотношений

dзаг / dизд = 1.2-1.3

Толщины заготовки в краевой части увеличиваются dизд / dзаг = 0.7-0.8

Формовка - это изменение формы заготовки в результате растяжения отдельных участков (рис 3.39) заготовки. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т.п. Деформирование осуществляется металлическими пуансонами и матрицами. В отдельных случаях инструментом может быть резина или жидкость. Они легко удаляются из матрицы.

См.Рис 3.39 и 3-38

См. Рис 3.40

На рис 3.41 приведена схема штампа совмещенного действия.

См. Рис 3.41

Наружные контуры кольца 1 являются пуансоном - выбивают в заготовке круг, внутренние - матрицей, в которую пуансон 2 вдавливает полученный круг, получая стакан.

Пружины кольца 1 и пуансона 2 являются съемником и исключают застревание детали в полости матрицы или на теле пуансона.

При необходимости изготовить небольшую партию деталей изготовление штампов стремятся упростить: не делают направляющих элементов штампа, пружинные съёмники заменяют эластичными (штампы из дерева).

Для деформации чаще всего применяют кривошипные прессы.

Кроме кривошипных прессов для листовой штамповки применяют гидравлические прессы (штамповка крупногабаритных толстостенных деталей, штамповка резиной).

Все? внедряются как механизация подачи заготовки и съема детали, так и автоматизация (с помощью роботов) этих операций.

Обработка металлов давлением.

12 3 4 Следующая ⇒