Обработка давлением - технологические процессы формоизменения за счет пластической деформации в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.
В зависимости от температурно-скоростных условий различают холодную и горячую деформации. Холодная деформация изменяет форму зерен. Зерна вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При холодной деформации изменяются механические и физико-химические свойства металла. Это явление называется упрочнением ( наклепом ). При холодной пластической деформации по мере её увеличения возрастает прочность, в то время как пластичность материала снижается. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не обратимы. Они могут быть устранены, с помощью термической обработки, например, отжигом.
Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации. Горячей деформацией называют деформацию, при которой рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равновесной, без следов упрочнения.
Процессы обработки металлов давлением делят на два вида. I вид (непрерывная заготовка) - прокатка, прессование, волочение - получают заготовки постоянного сечения по длине – машиностроительные профили (прутки, проволока, трубы, ленты, листы и т. д.). II вид (штучная заготовка) ковку и штамповку, применяют для придания заготовкам (поковкам) формы, приближенной к форме готовой детали. Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающими валками. Силами трения Р тр заготовка втягивается между валками, а силы Р, нормальные к поверхности валков, уменьшают поперечные размеры заготовки. Прессование заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме, через отверстие матрицы. Волочение заключается в протягивании заготовки через сужающуюся полость матрицы. Площадь поперечного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия матрицы.
Основные операции обработки металлов давлением а – прокатка ; б – прессование; в – волочение; г – ковка; д – штамповка объемная; е – листовая штамповка а б в е д г
Ковкой изменяют форму и размеры заготовки путем последовательного воздействия универсальным инструментом на отдельные участки заготовки. Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента – штампа (для каждой детали изготовляют свой штамп). Различают объемную и листовую штамповку. Листовой штамповкой получают плоские и пространственные полые детали из заготовок, которыми являются лист, лента, полоса. Обычно заготовка деформируется с помощью пуансона 1 и матрицы 2.
При прессовании металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие, соответствующее сечению прессуемого профиля. В процессе прессования при движении пуансона 1 с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавливается в зазор между матрицей 3 и иглой 4. Прессование по рассмотренным схемам называется прямым. Значительно реже применяют обратное прессование.
Исходной заготовкой при прессовании служит слиток или прокат. Прессованием изготавливают изделия разнообразного сортамента из цветных металлов и сплавов, в том числе прутки диаметром 3 … 250 мм, трубы диаметром 20 … 400 мм со стенкой толщиной 1,5.. 12 мм и другие профили. Из углеродистых сталей 20.. 50, конструкционных 30ХГСА, 40ХН, коррозионностойких 12Х18Н10Т и других высоколегированных сталей прессуют трубы с внутренним диаметром 30 … 160 мм со стенкой толщиной 2 … 10 мм, профили с полкой толщиной 2 … 2,5 мм и линейными размерами поперечных сечений до 200 мм.
Исходными заготовками для волочения служат прокатные или прессованные прутки и трубы из стали, цветных металлов и их сплавов. На рис. показано волочение трубы 1 на короткой удерживающей оправке 3. Профиль полученной трубы определяется зазором между волокой 2 и оправкой 3. Волочением получают: проволоку диаметром 0,002... 5 мм и фасонные профили (призматические и фасонные направляющие, сегментные, призматические и фасонные шпонки, шлицевые валики, опорные призмы, ножи и т.п.). Волочением калибруют стальные трубы диаметром от капиллярных до 200 мм, стальные прутки диаметрами 3... 150 мм.
Процесс профилирования прокаткой на профилегибочных станах заключается в постепенном изменении формы сечения плоской заготовки до требуемого профиля при последовательном прохождении полосы или ленты через несколько пар (6 - 20 и более) вращающихся фигурных роликов. При данном методе площадь поперечного сечения и толщина исходной полосы или ленты практически не изменяются, т.е. происходит только последовательная гибка полосы или ленты в поперечном сечении.
Поковкой называют заготовку детали, полученную ковкой или штамповкой. Исходными заготовками для получения поковок служат слитки или сортовой прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечения; для получения поковок большой массы (от нескольких сотен килограммов) в качестве заготовки используют слитки. Поковку можно получить как свободной ковкой, так и путем затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно превышающее давление при свободном пластическом течении металла. Поэтому поковки большой массы затруднительно изготовить штамповкой.
Упрощенно поковки можно разделить на группы: 1- осесимметричные типа дисков, колес ( а), втулок и колец (б); 2 - осесимметричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных; 3 - осесимметричные типа валов и осей, длина которых вдоль оси значительно больше поперечных размеров; 4 - неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков с меньшим или большим соотношением габаритных размеров; сюда относятся поковки гаечных ключей, шатунов, звеньев гусениц тракторов, лопаток турбин, крюков грузоподъемных механизмов, коленчатых валов и др.
Для тяжелых поковок (массой 1... 250 т) единственно возможным способом изготовления является ковка - вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент. При ковке используют универсальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент - штамп, изготовление которого при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.
Осадка - операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. Осаживают заготовки между бойками (рис. 1 а) или подкладными плитами (рис. 2 а). Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осаживают лишь на части длины заготовки (рис. 2 б).
Протяжка - операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения ( а). Общее увеличение длины равно сумме приращений длин за каждое нажатие, а уширение по всей длине одинаково. Если заготовку повернуть на 90° вокруг горизонтальной оси и повторить протяжку, то уширение, полученное в предыдущем проходе, устраняется, а длина заготовки снова увеличивается. Чем меньше подача при каждом нажатии, тем интенсивнее удлинение. Однако при слишком малой подаче могут получиться зажимы (б). Протягивать можно плоскими ( а) и вырезными ( в) бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направленные с четырех сторон к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образования осевых трещин.
Деформация при протяжке может быть выражена величиной уковки : У = F Н / F К, где F Н - начальная (большая) площадь поперечного сечения; F K - конечная (меньшая) площадь поперечного сечения после протяжки. Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поковок с удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т.п.), но и в чередовании с осадкой - для большей уковки металла заготовки. Протяжка имеет ряд разновидностей.
Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины ( г). Протяжка с оправкой - операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок ( д ). Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3 и верхнем плоском 2 на слегка конической оправке 1. Протягивают в одном направлении - к расширяющемуся концу оправки, что облегчает ее удаление из поковки. Раскатка на оправке - операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок ( е). Заготовка 5 опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 6, устанавливаемую концами на подставках 7, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком 4. После каждого нажатия заготовку поворачивают относительно оправки. Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вначале раскаткой уничтожают бочкообразность предварительно осаженной и прошитой заготовки и доводят ее внутренний диаметр до требуемых размеров. Затем протяжкой с оправкой уменьшают толщину стенок и увеличивают до заданных размеров длину поковки.
Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла ( а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка). Инструментом для прошивки служат прошивни ( в) сплошные и пустотелые; последними прошивают отверстия большого диаметра (400... 900 мм). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца (рис. б). Более толстые поковки прошивают с двух сторон без подкладного кольца (рис. а). Диаметр прошивня выбирают не более 1/2... 1/3 наружного диаметра заготовки; при большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается. Прошивка сопровождается отходом (выдрой). Отрубка - операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента - топора ( г). Отрубку применяют для получения из заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления излишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной частей слитков и т.п. Инструмент для отрубки - топоры различной формы ( д )
Гибка - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру ( е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т.п. Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления. При изготовлении небольшой партии поковок применяют так называемую штамповку в подкладных штампах ( ж). Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка. В подкладных штампах можно изготовлять головки гаечных ключей, головки болтов, диски со ступицей, втулки с буртом и другие поковки.
Напуск (3) - объема металла, добавляемого к поковке сверх припуска для упрощения ее формы и, следовательно, процесса ковки. Допуск (4) - допустимое отклонение от номинального размера поковки, проставленного на ее чертеже, т.е. разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами поковки. Допуск назначают на все размеры поковки. Масса поковки может быть подсчитана по формуле m заг = m пок + m пр + m дн + m уг + m от, Готовая деталь - (1) Припуск (2) - поверхностный слой металла поковки, удаляемый резанием для получения требуемых размеров и качества поверхности готовой детали 1.
Молоты могут совершать удары с разной энергией, зажимать поковки между бойками и удерживать бабу на весу. Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей 1000...8000 кг. На этих молотах изготовляют поковки средней массы (20...350 кг), преимущественно из прокатанных заготовок. Гидравлические прессы - машины статического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Ковочные гидравлические прессы применяют с усилием 5...100 МН для изготовления крупных поковок в основном из слитков. Молоты - машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Схема паровоздушного молота арочного типа 1 – рабочий цилиндр; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – станина; 5 – баба; 6 – верхний боек; 7 – нижний боек; 8 – шабот; 9 – направляющие; 10 – канал для подачи пара; 11 - парораспределительное устройство; 12 – канал для пара.
Последовательность ковки полого массивного цилиндра из слитка (сталь 40) массой 18 т на гидравлическом прессе с пяти нагревов. После первого нагрева протягивают прибыльную часть под патрон и сам слиток на диаметр 1000 мм, отрубают донную и прибыльную части слитка ( а ). После второго нагрева выполняют осадку, прошивку отверстия и раскатку на оправке (б ), после третьего нагрева - посадку на оправку и протяжку на длину 1100 мм ( в ), после четвертого - посадку на оправку и протяжку средней части на диаметр 900 мм ( г ). После пятого нагрева (нагревают только конец А) заковывают конец А.
Поковки должны быть простыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями. В поковках следует избегать конических (5 ) и клиновых ( 6 ) форм. Ковкой трудно выполнить участки пересечений цилиндрических поверхностей между собой ( 7 ) и с призматическими поверхностями ( 8 ). В поковках следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т.п., учитывая, что эти элементы изготовить ковкой трудно. В местах сложной конфигурации приходится прибегать к напускам для упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Следует стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.
По окончанию или в процессе ковки заготовки подвергаются термообработке. Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до опреде ленных температур, выдержке их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменя ются структура сплава, а следовательно, и его свойства. Изменяя скорость охлажде ния, можно получить различные физико - механические свойства и структуры желе зоуглеродистых сплавов. Основные виды термической обработ ки - отжиг, нормализация, закалка и от пуск. Отжиг - нагрев стали до определенной температуры (определяется по диаграмме Железо-углерод), выдержка при этой температуре и медленное охлаждение вместе с печью. Отжиг снимает внутреннее напряжение, снижает твердость и повышает пластичность, уст раняет химическую неоднородность.
Нормализация - нагрев до определенной температуры, выдержка и охлаждение на воздухе; нормализация приводит к измельчению зерна и повыше нию прочности. Закалка - нагрев до определенной температуры, выдержка и бы строе охлаждение в воде или масле; по вышает твердость и прочность, снижает пластичность. Регулируя скорость охлаждения стали, можно полу чать различные её структуры. И, соответственно, различные физико-механические свойства стали. Отпуск - нагрев ниже точки А 1 и медленное охлаждение; его применяют как сопутствующую операцию после за калки для получения более устойчивых структур. Высокий отпуск (нагрев до т -ры 700 °С) применяют для повыше ния пластичности и обрабатываемости при небольшом снижении прочности закален ной стали; низкий отпуск (нагрев до т -ры 250 °С) применяют для повыше ния вязкости закаленной стали при сохра нении прочности.
