Обработка металлов давлением

Министерство науки и высшего образованияы Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра “Процессы и машины обработки металлов давлением” Конспект лекций по дисциплине “ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ” Челябинск 2019 УДК 620.2 (075.8) Радионова Л.В.: Конспект лекция по дисциплине “Обработка металлов давлением”. – Челябинск: ПиМОМД, 2019. – 70 с. © Радионова Л.В., 2019 Лекция 1. ВВедение Обработка металлов давлением (ОМД) базируется на основных положениях механики сплошных сред и физике металлов. ОМД является завершающим этапом в производстве изделий из металлов и сплавов. Назначение этого этапа заключается в том, чтобы изменить геометрическую форму и размеры тела, а также придать ему определенные механические и физические свойства. Классификация процессов обработки давлением Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом. По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом: – для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование; – для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка. Основными схемами деформирования объемной заготовки являются: – сжатие между плоскостями инструмента – ковка; – ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка; – затекание металла в полость инструмента – штамповка; – выдавливание металла из полости инструмента – прессование; – вытягивание металла из полости инструмента – волочение. Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С.И. предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки давлением. Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации. При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата. Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией. Кристаллическое строение металлов Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Чистые химические элементы (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава. Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Элементарной ячейкой называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла. Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов (рис. 1): объемноцентрированный куб или сокращенно ОЦК – альфа-Fe, Cr W; гранецентрированный куб (ГЦК) – гамма-Fe, Al,Cu; гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – Mg, Zn и др. Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом альфа (альфа- Fe), при более высокой бета, затем гамма и т.д. Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения. При полиморфном превращении меняется форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. 1 2 3 Рис.1 Элементарные ячейки кристаллических решеток: 1- ОЦК; 2- ГЦК; 3- ГПУ В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: ¼*4=1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1+(1/4*4)=2. Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются различные свойства. Зависимость свойств в кристалле от направления называется анизотропией. Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических материалов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен. При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла усреднены. Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью – кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии. При обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку – так называемую текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут значительно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам металла – расслоения, волнистости листа. Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей. Дефекты в кристаллах В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. Атомы совершают колебательные движения возле узлов решетки, и с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией, значительно большей средней энергии, и перемещаются из одного места в другое. Точечные дефекты (рис.2) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) вакансии – свободные места в узлах кристаллической решетки; б) межузельные (дислоцированные) атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки; в, г) примесные атомы – атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки. а б в г Рис.2 Точечные дефекты и схемы искажения около них кристаллической решетки: а – вакансия; б – межузельный атом; в,г – примесные атомы Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важным видом линейных дефектов являются краевые и винтовые дислокации (рис.3) (в пер. с лат. – смещение). На рис.3 а приведена схема участка кристаллической решетки с одной “лишней” атомной полуплоскостью, т.е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком , если в нижней – то отрицательной и обозначают знаком T. Различие между дислокациями часто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокаций позволяет оценить результат их взаимодействия. Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположных – притягиваются. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации (рис.3 б). Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии дислокации. Винтовая дислокация, образованная вращением по часовой стрелке, называется правой, а против часовой стрелки – левой. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов, а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах. Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки, т.е. границы зерен и субзерен. Применяемые в технике металлы и сплавы обычно относятся к поликристаллическим телам, поскольку состоят из множества отдельных кристалликов неправильной формы, жестко связанных между собой. Их принято называть кристаллитами или зернами. Границы между зернами называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие десятков градусов. Каждое зерно металла состоит из отдельных субзерен, образующих так называемую субструктуру. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна или блоки. Субзерна разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы (рис.4). Рис.3 Краевая (а) и винтовая (б) дислокации Рис.4 Дислокационное строение малоугловой границы С повышением плотности дислокаций движение их все более затрудняется, т.е. металл упрочняется и для продолжения деформации требуется увеличение прилагаемой нагрузки. Под плотностью дислокации обычно понимают суммарную длину дислокаций, приходящуюся на единицу объема кристалла: . Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т.д. Эти дефекты снижают прочность металла. Контрольные вопросы. 1. Какие две основные группы материалов различают? 2. Что такое кристаллическая решетка? Назовите три основных типа кристаллических решеток. 3. Что такое полиморфизм? 4. Назовите три типа дефектов кристаллического строения. 5. Какие существуют точечные дефекты? Лекция 2. Деформация металлов Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация бывает упругой и пластической. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела устраняются после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и обратимое смещение атомов. Пластическая деформация – это деформация, которая остается после снятия нагрузки, необратимо изменяя структуру металла и его свойства. В основе процесса обработки металлов давлением лежит именно пластическая деформация. В процессе пластической деформации происходит изменение исходной структуры, при этом механические свойства металла резко меняются. Процесс обработки давлением разделяют на две группы – горячую и холодную деформацию. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Схема упругой и пластической деформации металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис.5. Рис.5. Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжений сдвига Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения. Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с ГПУ структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим видам деформации. Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций (см. рис.5). Перемещение дислокации в плоскости скольжения через весь кристалл приводит к смещению (сдвигу) соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние (рис.5), при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька. Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации. На начальной стадии пластическая деформация монокристалла осуществляется движением дислокаций по одной системе плоскостей – стадия легкого скольжения. Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значительного роста действующих напряжений (стадия I деформационного упрочнения). После этого начинается стадия множественного скольжения – движение дислокации в двух и более системах. На этой стадии после значительной деформации дислокационная структура металла сильно усложняется и плотность дислокаций (“лес” дислокаций) возрастает по сравнению с исходным состоянием на четыре-шесть порядков, достигая . Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление их движению сильно возрастает и для их продвижения внешнее напряжение должно резко возрасти (стадия II деформационного упрочнения). Под влиянием все возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т.е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости скольжения в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объеме ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Наступает III стадия деформации, когда происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, кроме скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (см. рис. 5). Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. По сравнению со скольжением двойникование имеет меньшее значение. В металлах с ГЦК И ОЦК – решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформирования и низких температурах. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Однако, в поликристаллическом металле стадия I практически отсутствует, а во II стадии деформационного упрочнения – коэффициент упрочнения выше. При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, а после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация кристаллов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации). Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и др.). Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств. С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (и др.) повышаются, а способность к пластической деформации (пластичность ) уменьшается (рис.6). Это явление получило название наклепа (или упрочнения). Механические свойства. Способность металла сопротивляться воздействиям внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Рис.6. Влияние степени пластической деформации на прочность и пластичность металла (сталь марки 70) Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 7). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно. Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис.8). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – нагрузки, приложенные к образцу. Прочность – способность материла сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность – отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности (временное сопротивление) – это условное напряжение в Па (), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: , где - наибольшая нагрузка, Н; - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м. Рис. 7. Виды деформаций: 1- сжатие, 2- растяжение, 3- кручение, 4- срез, 5 – изгиб Рис.8. Диаграмма растяжения Истинное сопротивление разрыву - это напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва . (). Предел текучести (физический) - это наибольшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: , где -нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н. Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца: . Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки оценивают пределом пропорциональности и пределом упругости . Предел пропорциональности - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца . Предел упругости (условный) - это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05 % от расчетной длины образца : , где - нагрузка предела упругости, Н. Пластичность, т.е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение (после разрыва) - это отношение приращения () расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине , выраженное в процентах: . Относительное сужение (после разрыва) - это отношение разности начальной и минимальной площадей () поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах: . Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством. Ударная вязкость, т.е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы (в МДж) к площади его поперечного сечения (в м) в месте надреза . Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа. Твердостью называют способность материла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость металла определяется способами Бринелля, Роквелла и Викерса. Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости). Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 9. Способ Бринелля основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающие при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение. Рис. 9. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. В результате холодной пластической деформации уменьшаются плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость. Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение. Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно. Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю. Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое). Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям. Вязкое разрушение происходит путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. При вязком разрушении трещина тупая, раскрывающаяся, имеет малую скорость распространения. Величина пластической зоны впереди трещины достаточно велика. У вязкого разрушения значительная энергоемкость, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Также большая работа затрачивается на распространение трещины. Излом матовый, волокнистый. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи. Плоскость излома располагается под углом. К процессам горячей деформации относят процессы, протекающие при температуре выше температуры рекристаллизации. При нагреве его способность к пластической деформации увеличивается, а сопротивление деформации падает, поэтому процессы горячей обработки являются менее трудоемкими и энергоемкими. Однако изделия, получаемые горячей обработкой, обладают худшим качеством поверхности (слой окисленного металла на поверхности, называемой окалиной) и меньшей точностью геометрических размеров по сравнению с полученными методом холодной деформации. На современных металлургических заводах применяют ковку, штамповку, прокатку, волочение и прессование. Контрольные вопросы. 1. Что называют деформацией? 2. Чем отличается упругая деформация от пластической? 3. Какие виды обработки металлов давлением существуют? 4. Что называют текстурой деформации? 5. Как влияет пластическая деформация на свойства металла? Лекция 3. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация   Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетки, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов. При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго. При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация. Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре . Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации. Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций. При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 10).  В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный. Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.11). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.10, а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации. Рис. 10. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация. Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры. Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств (рис.12). Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность. 1 стадия – первичная рекристаллизация заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен (рис.12, б). Рис. 11. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойств Рис. 12. Изменение структуры деформированного металла при нагреве 2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние. Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления , для металлов для твердых растворов для металлов высокой чистоты . На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 13). С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига. С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига. Рис. 13. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации Практически рекристаллизационный отжиг проводят для малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС. СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ Способность заготовки принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке называется деформируемостью. Это технологическое свойство определяют сопротивлением деформированию и пластичностью, которые, в свою очередь, зависят от строения атома, атомно-кристаллического строения, химического состава, макро- и микроструктуры материала, а также от условий деформирования. Сопротивление деформированию оценивают удельной силой (напряжением), вызывающей пластическую деформацию заготовки при данных условиях нагружения. Как правило, обработке давлением подвергают металлические заготовки из стали, алюминиевых, магниевых, медных и титановых сплавов. Рассмотрим влияние условий деформирования на процесс формоизменения заготовок при обработке давлением. Влияние температуры на сопротивление деформированию и пластичность. Общее свойство для всех металлов и сплавов заключается в том, что наиболее высокой деформируемостью они обладают в условиях горячей деформации, которую проводят при температуре выше температуры рекристаллизации сплавов. Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Максимальную температуру назначают такой, при которой не наблюдается уменьшение пластичности в результате перегрева (резкого увеличения размера зерен) или пережога заготовки (расплавления и окисления границ зерен). Возрастание пластичности заготовок при нагреве до температуры горячей деформации является следствием увеличения подвижности атомов и пластичности межкристаллических прослоек. Температура плавления неметаллических включений ниже, чем температура плавления зерен основного металла, поэтому при достижении значений температуры горячей деформации интенсивнее уменьшается сопротивление деформированию прослоек, чем зерен, и доля межкристаллической деформации в общей деформации заготовки увеличивается. Влияние скорости деформации на деформируемость заготовок. При увеличении скорости деформации (степени деформации в единицу времени) сопротивление деформированию возрастает, пластичность падает. Причем особенно резко снижается пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированных сталей и медных сплавов при обработке давлением на молотах. Чем выше скорость деформации и ниже скорость рекристаллизации при горячей деформации, тем больше сопротивление деформированию и меньше пластичность. Рис. 14. Влияние температуры нагрева на величину сопротивления деформации Влияние схемы напряженного состояния. Максимальной пластичности заготовок достигают при уменьшении растягивающих напряжений и увеличении сжимающих. В условиях трехстороннего неравномерного сжатия (например, при прессовании) даже хрупкие материалы могут претерпевать значительные пластические деформации. Однако при реализации такой схемы возрастает сопротивление деформированию заготовки, в результате чего резко увеличиваются действующие на деформирующий инструмент давления. Поэтому снижается его стойкость и требуется более мощное оборудование. Контрольные вопросы. 1. Что называется рекристаллизацией? 2. По какой формуле определяется температура рекристаллизации? 3. Имеет ли место наклеп при горячей пластической деформации? 4. Какую степень деформации называют критической? 5. Как изменяется структура деформированного металла в процессе возврата? 6. Что такое сопротивление деформации? ЛЕКЦИЯ 4. ЗАКОН ПОСТОЯНИСТВА ОБЪЕМА Пластическая деформация металла сопровождается весьма незначительным изменением его объема, составляющим для литого металла всего 1-2%. Практически этим изменением объема можно пренебречь и считать, что объем металла до деформации равен объему металла после деформации. Неизменность объема до и после деформации имеет название закона постоянного объема. Из закона постоянства объема вытекает важное следствие. Для прямоугольного параллелепипеда (рис..15) который в процессе деформирования сохраняет свою форму, условие постоянства объема можно записать: или . Рис. 15. Схема прямоугольного параллелепипеда Выражение ; ; являются показателями, характеризующими геометрические размеры при деформировании. - вытяжка; - поперечная деформация; - высотная деформация. Вытяжку можно, так же записать в виде: , где и – площадь сечения параллелепипеда до и после деформации. Уравнение постоянства объема записывается также: Прологарифмировав его получим: . Обозначим: ; ; . – логарифмические степени деформации, соответственно: . Умножив, логарифмические степени деформации на , получим: . Таким образом можно по другому сформулировать закон постоянства объема: сумма смещенных объемов, по трем взаимно перпендикулярным направлениям равна нулю. В ряде случаев пластической обработки используют абсолютные значения изменения размеров: - обжатие; - уширение; - удлинение. ПРОКАТКА Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распространённый. Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства. Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом, она уменьшается в своём поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем. Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила и касательная сила трения (рис.16).   Рис.16. Схема сил, действующих при прокатке   Угол – угол захвата, дуга, по которой валок соприкасается с прокатываемым металлом – дуга захвата, а объ¨м металла между дугами захвата – очаг деформации. Возможность осуществления прокатки определяется условием захвата металла валками. Для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата. Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках. При прокатке стали = 20…25 0, при горячей прокатке листов и полос из цветных металлов – = 12…15 0, при холодной прокатке листов – = 2…10 0. Степень деформации характеризуется показателями: – абсолютное обжатие: ( – начальная и конечная высоты заготовки); относительное обжатие: Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. Поэтому для определения деформации (особенно когда обжатие по сечению различно) используют показатель, называемый вытяжкой (коэффициентом вытяжки). где: – первоначальные длина и площадь поперечного сечения, – те же величины после прокатки. Вытяжка обычно составляет 1,1…1,6 за проход, но может быть и больше. В процессе прокатки литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за счёт залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это придаёт заготовкам из проката высокую прочность и герметичность при небольшой их толщине. Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рис.17).   Рис.17. Схемы основных видов прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно – винтовая   При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис.17, а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счёт сил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат. Поперечная прокатка (рис.17, б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни. Поперечно – винтовая прокатка (рис.17, в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под углом друг другу. Прокатываемый металл получает ещё¨ и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок. В качестве инструмента для прокатки применяют валки прокатные, конструкция которых представлена на рис. 18. В зависимости от прокатываемого профиля валки могут быть гладкими (рис.18), применяемыми для прокатки листов, лент и т.п. и калиброванными (ручьевыми) (рис.19) для получения сортового проката. Ручей – профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями называются буртами. Совокупность двух ручьёв образует полость, называемую калибром, каждая пара валков образует несколько калибров. Система последовательно расположенных калибров, обеспечивающая получение требуемого профиля заданных размеров называется калибровкой. Рис. 18. Гладкий прокатный валок: 1 - бочка валка; 2 – шейка валка; 3 - треф   Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные (блюмы), прямоугольные (слябы) или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки. Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии. Начинается в горячем состоянии и проводится до определённой толщины заготовки. Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодном виде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячая обработка затруднена). Рис. 19. Сортовые прокатные валки Основными технологическими операциями прокатного производства являются подготовка исходного металла, нагрев, прокатка и отделка проката. Подготовка исходных металлов включает удаление различных поверхностных дефектов (трещин, царапин, закатов), что увеличивает выход готового проката. Нагрев слитков и заготовок обеспечивает высокую пластичность, высокое качество готового проката и получение требуемой структуры. Необходимо строгое соблюдение режимов нагрева. Основное требование при нагреве: равномерный прогрев слитка или заготовки по сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время с наименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива. Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимости от температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марок углеродистой стали начинается при температуре 1200…1150 0С, а заканчивается при температуре 950…9000С. Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерное охлаждение приводит к образованию трещин и короблению. При прокатке контролируется температура начала и конца процесса, режим обжатия, настройка валков в результате наблюдения за размерами и формой проката. Для контроля состояния поверхности проката регулярно отбирают пробы. Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удаление поверхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю. Процесс прокатки осуществляют на специальных прокатных станах. ЛЕКЦИЯ 5. ПРОКАТНЫЕ СТАНЫ Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, нагрев, термическая обработка, контроль и т.д.). Из этого определения следует, что помимо основной операции – пластического формообразования раската, на стане выполняют и ряд других (рис. 20). В теории организации производства отдельные операции, необходимые для осуществления технологического процесса, подразделяют на основные, сопутствующие и вспомогательные. В соответствии с этим различают основное, сопутствующее и вспомогательное оборудование. Рис.20. Листовой стан горячей прокатки 2000: 1 - нагревательные печи с шагающими балками; 2 - вертикальный окалиноломатель; 3 - горизонтальная двухвалко­вая клеть; 4…7 — универсальные клети; 8 - летучие ножницы; 9 - чистовой окалиноломатель; 10 - чистовая груп­па клетей; 11, 12 - участки охлаждения полос; 13, 14 - группы моталок для свертывания полос; 15 - тележки; 16 -транспортер; 17 — вязальные машины; 18 — весы; 19 — подъемно-поворотный стол; 20 — транспортер; 21 … 27 — посты управления участка печей; 28… 30 - посты управления черновой и чистовой группами клетей; 31, 32 - посты управления участка моталок Применительно к прокатке к основным относятся операции по осуществлению пластической деформации металла, т.е. собственно прокатку, и соответственно к основному оборудованию относят прокатную клеть, электропривод и передаточные устройства (Рис.21). Рис.21. Главная линия прокатной клети: 1–электродвигатель; 2–моторная муфта; 3–редуктор; 4–коренная муфта; 5–шестеренная клеть; 6–шпиндели; 7–уравновешивание шпинделей; 8–рабочая клеть По режиму работы прокатные станы делятся на нереверсивные (частота и направление вращения валков постоянные) и реверсивные (прокатку осуществляют в прямом и обратном направлении за счет изменения направления вращения валков). Ко вторым относят блюминги, слябинги, заготовочные и толстолистовые станы. По назначению станы подразделяются на станы для производства полупродукта и станы для производства готового проката. К первым относят блюминги, слябинги, заготовочные станы. Ко вторым относят: - рельсобалочные станы (диаметр валков 750-900 мм); - крупносортные станы (500-700 мм); - среднесортные станы (350-500 мм); - мелкосортные станы (250-330 мм); - проволочные станы (150-280 мм); - штрипсовые станы (300-400 мм); - толстолистовые станы (длина бочки валков до 5500 мм); - широкополосные станы горячей прокатки (до 2500 мм); - широкополосные станы холодной прокатки (до 2800 мм); - универсальные полосовые станы (до 2000 мм); - трубные станы разных типов; - прочие станы (колесо-бандажные, осепрокатные, шаропрокатные и др.) По количеству и расположению валков в клети различают: - двухвалковые (дуо) клети (см. рис. 22, а). Широко используют в реверсивном и нереверсивном режимах. - трехвалковые (трио) клети, сортовые (рис.22, б) и листовые (рис.22, в). Используют для прокатки заготовок, сорта и листов. - четырехвалковые клети (кварто). Используют в основном в листовом производстве (рис.22, г). Рабочие валки (2) меньшего диаметра, опорные (3) – большего для повышения жесткости системы. - шестивалковые клети (рис.22, д) используются редко. Вариант расположения валков – в одной вертикальной осевой плоскости. Приводные валки рабочие. - многовалковые клети – 12 –ти и 20-ти валковые. Используют для прокатки тончайших полос (до 2 мкм) в рулонах (рис.22, е и ж). Диаметр рабочих валков до 50 мм. Приводными являются опорные валки. Рис. 22. Типы прокатных клетей: 1 – станина; 2 – рабочие валки; 3 – опорные валки; 4 – разматывалель; 5 – моталка Форма поперечного сечения называется профилем проката. Совокупность профилей различной формы и размеров – сортамент (рис.23). Рис.23. Сортамент прокатной продукции По количеству и расположению клетей прокатные станы подразделяются на одно- и многоклетьевые. Одноклетьевые – блюминги, слябинги, листопрокатные, обжимо-заготовочные и пр. станы (рис.24,а). Рис. 24. Схемы расположения рабочих клетей, у различных прокатных станов: а – одноклетьевой, б – полунепрерывный, в – линейный, г – непрерывный, д – с последовательным расположением клетей Многоклетьевые станы – линейного типа, непрерывные, полунепрерывные и с последовательным расположением клетей (рис.24, б-д). Станы линейного типа (рис.24, в) используют для прокатки заготовок, мелко-, средне- и крупносортных профилей. Недостатком таких станов являются большие затраты ручного труда, низкие скорости прокатки и производительность. Частично этих недостатков можно избежать размещением клетей в несколько линий. В зависимости от профиля прокат делится на четыре основные группы: листовой, сортовой, трубный и специальный. В зависимости от того нагретая или холодная заготовка поступает в прокатные валки – горячий и холодный. Листовой прокат из стали и цветных металлов подразделяется на толстолистовой (4…60 мм), тонколистовой (0,2…4мм) и жесть (менее 0,2 мм). Толстолистовой прокат получают в горячем состоянии, другие виды листового проката – в холодном состоянии (рис.25). Рис.25. Листовой стан холодной прокатки Прокатку листов и полос проводят в гладких валках. Среди сортового проката различают: • заготовки круглого, квадратного и прямоугольного сечения для ковки и прокатки; • простые сортовые профили (круг, квадрат, шестигранник, полоса, лента); • фасонные сортовые профили: ◦ профили общего назначения (уголок, швеллер, тавр, двутавр); ◦ профили отраслевого назначения (железнодорожные рельсы, автомобильный обод); ◦ профили специального назначения (профиль для рессор, напильников). Трубный прокат получают на специальных трубопрокатных станах. Различают бесшовные горячекатаные трубы диаметром 25…550 мм и сварные диаметром 5…2500 мм. Трубы являются продуктом вторичного передела круглой и плоской заготовки. Общая схема процесса производства бесшовных труб предусматривает две операции: 1– получение толстостенной гильзы (прошивка); 2 – получение из гильзы готовой трубы (раскатка). Рис.26. Технологическая схема производства горячекатаной трубы Сварные трубы изготавливают на трубосварочных агрегатах различными способами: печной сваркой, контактной электросваркой и др. из полос – штрипсов. Процесс получения трубы состоит из получения заготовки в виде свернутой полосы и сварки ее в трубу. Особое место занимают станы спиральной сварки. Трубы получают завивкой полосы по спирали на цилиндрических оправках с непрерывной сваркой спирального шва автоматической сварочной головкой.  Преимущества способа состоят в следующем: диаметр трубы не зависит от ширины исходного полосы, так как он определяется и углом подъема спирали; спиральный шов придает трубе большую жесткость; спирально-сварные трубы имеют более точные размеры. ЛЕКЦИЯ 6. ВОЛОЧЕНИЕ  Сущность процесса волочения заключается в протягивании заготовок через сужающееся отверстие (фильеру) в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля. Схема волочения представлена на рис.27. Волочением получают проволоку диаметром 0,002…4 мм, прутки и профили фасонного сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемых изделий. Волочение чаще выполняют при комнатной температуре, когда пластическую деформацию сопровождает наклеп, это используют для повышения механических характеристик металла, например, предел прочности возрастает в 1,5…2 раза. Рис.27. Схема волочения: 1 – волока; 2 – заготовка   Процесс волочения осуществляется путём приложения переднего тянущего усилия к заготовке, которое создаёт благодаря эффекту клина необходимую для деформации металла поперечную силу и обеспечивает протягивание металла через неподвижную волоку, рабочая часть, которой имеет форму конуса. На поверхности раздела “металл – волока” действуют контактные силы трения, направленные против движения металла. При волочении необходимая для деформации поперечная сила Q создается при помощи внешнего усилия волочения Р (рис.28). Рис.28. Равновесие сил в волочильном канале по Е. Зибелю: F0 – поперечное сечение на входе; F1 – поперечное сечение на вы-ходе; d0- входной диаметр; d1 – выходной диаметр; a - угол наклона (рабочий полуугол волоки); t - касательное напряжение (напряжение трения); gm- среднее давление на плоскость (удельное нормальное давление); r - угол трения; Z – усилие волочения; Q - поперечная сила Исходным материалом может быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали различного химического состава, цветные металлы и сплавы, в том числе и драгоценные. Исходной заготовкой для производства проволоки (рис. 29) служит горячекатаный прокат – катанка диаметрами 5,0 – 19,0 мм. Наиболее часто используют катанку диаметром 6,5 мм. В настоящее время все чаще применяется катанка диаметром 5,5 мм, сорбитизированная с прокатного нагрева. Технологический процесс изготовления высокоуглеродистой арматурной проволоки кроме подпроцессов термообработки, подготовки поверхности металла и волочения включает операции профилирования (высокопрочная арматурная проволока), нанесение защитных металлических покрытий (проволока стальная канатная, кордовая) и т.д. Основной инструмент при волочении – волоки различной конструкции. Волока работает в сложных условиях: большое напряжение сочетается с износом при протягивании, поэтому их изготавливают из твердых сплавов. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмаза. Конструкция инструмента представлена на рис. 30. Рис.29. Принципиальная технологическая схема изготовления высокоуглеродистой проволоки Рис. 30. Общий вид волоки: 1 – обойма; 2 – волока   Волока 1 закрепляется в обойме 2. Волоки имеют сложную конфигурацию, ее составными частями являются: заборная часть I, включающая входной конус и смазочную часть; деформирующая часть II с углом в вершине (6…18 0 – для прутков, 10…24 0 – для труб); цилиндрический калибрующий поясок III длиной 0,4…1 мм; выходной конус IV. Процесс волочения характеризуется параметрами: коэффициентом вытяжки и степенью деформации. Коэффициент вытяжки определяется отношением конечной и начальной длины или начальной и конечной площади поперечного сечения: Степень деформации определяется по формуле:   Обычно за один проход коэффициент вытяжки не превышает 1,3, а степень деформации – 30 %. При необходимости получить большую величину деформации производят многократное волочение. Технологический процесс волочения включает операции: • предварительный отжиг заготовок для получения мелкозернистой структуры металла и повышения его пластичности; • травление заготовок в подогретом растворе серной кислоты для удаления окалины с последующей промывкой, после удаления окалины на поверхность наносят подсмазочный слой путем омеднения, фосфотирования, известкования, к слою хорошо прилипает смазка и коэффициент трения значительно снижается; • волочение, заготовку последовательно протягивают через ряд постепенно уменьшающихся отверстий; • отжиг для устранения наклепа: после 70…85 % обжатия для стали и 99 % обжатия для цветных металлов; • отделка готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины и др.) В качестве термической обработки при изготовлении холоднотянутой проволоки из высокоуглеродистых марок стали применяют патентирование. Патентирование заключается в нагреве стали выше на 100-250 °С, переохлаждении до температуры 420-600 °С в соляной (или свинцовой) ванне и последующем охлаждении на воздухе. Эти операции осуществляют при непрерывном прохождении проволоки через нагревательную печь и ванну с расплавом соли или свинца. Структура стали после такой обработки представляет собой однородную смесь высокодисперсного цементита в форме пластинок, закономерно чередующихся с ферритом. Патентирование обеспечивает высокую деформируемость стали, а после волочения – высокую прочность при достаточном уровне пластичности. Оптимальная структура патентированной стали должна состоять только из сорбита и не содержать продуктов промежуточного превращения. Процесс, обеспечивающий получение такой структуры, можно считать оптимальным процессом патентирования. Патентирование заготовки можно осуществлять как со специального, так и с прокатного нагрева. Наилучшие структура и свойства катанки получаются после патентирования с прокатного нагрева нитью или спиралью. Катанка, патентированная как с прокатного, так и со специального нагрева, имеет примерно одинаковые механические характеристики. Микротвердость катанки, патентированной с прокатного и специального нагрева, мало различается. Сорбитизация осуществляется посредством двухстадийного регулируемого охлаждения проката. На первой стадии выполняют циклическое охлаждение водой до среднемассовой температуры 720-740 °С со средней скоростью 300-400 °С /с. При этом температура поверхности не опускается ниже температуры начала мартенситного превращения. На второй стадии катанка охлаждается воздухом, подаваемым вентиляторами, до температуры 300-400 °С. В результате такой обработки получается структура пластинчатого перлита с межпластинчатым расстоянием в пределах 0,13-0,16 мкм и структурно-свободным ферритом в количестве 15-25 %]. Термообработка в потоке стана требует значительно меньших удельных затрат, чем традиционные способы, однако по однородности свойств катанка, сорбитизированная с прокатного нагрева, к настоящему времени несколько уступает катанке после патентирования. Для проволоки из низкоуглеродистой и высокоуглеродистой стали, поставляемой со структурой зернистого перлита применяется ре-кристаллизационный отжиг. Основным способом изготовления проволоки в настоящее время является волочение в монолитных волоках. Этот способ отличается относительной простотой и хорошо изучен теоретически. Для его осуществления имеется необходимое оборудование, освоено производство инструмента. Волоченные изделия отличаются большой точностью геометрических форм и высоким качеством поверхности. При волочении проволоки для снижения трения применяют подготовку поверхности к волочению, которая заключается в очистке поверхности катанки (передельной проволоки) от окалины и загрязнений и нанесении специального подсмазочного слоя, а также обязательную подачу в очаг деформации технологической смазки. Снизить силу трения можно также изменением рабочей и калибрующей зон волоки. Для очистки поверхности катанки (передельной проволоки) от окалины при производстве высокоуглеродистой проволоки применяют химические (травление в растворах серной и соляной кислот), механические (знакопеременный изгиб) и комбинированные методы обработки. В качестве подсмазочных покрытий используют омеднение, фосфатирование, бурирование. В последние годы, как в отечественной, так и в зарубежной практике производства проволоки для подготовки поверхности металла к волочению применяют комбинированные установки механического удаления окалины, совмещающие операции удаления окалины и нанесения подсмазочного слоя. Технологический процесс волочения осуществляется на специальных волочильных станах. ЛЕКЦИЯ 7. ВОЛОЧИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Все известные в настоящее время волочильные станы можно классифицировать следующим образом: по конструкции, по принципу работы, по кратности, по диаметру протягиваемой проволоки, по кинематическому принципу (рис.31). Кроме того, на практике, как в России, так и за рубежом, принято делить волочильные станы на станы сухого и “мокрого” волочения. Рис.31. Классификация волочильных станов Рассмотрим основные отличительные особенности станов различных типов. Станы однократного волочения – волочильные машины предназначены для волочения проволоки через одну волоку. Однократное волочение применяется для: - калибровки — отделочной протяжки заготовки для получения готовой проволоки требуемых геометрических размеров и формы, а также качества поверхности;  - подтяжки на передел заготовки толстых размеров для дальнейшего волочения;  - волочения трудно деформируемых металлов и сплавов, которые из-за низкой пластичности металла не могут быть подвергнуты многократному волочению со сколько-нибудь значительными суммарными обжатиями и которые после каждой очередной протяжки подлежат термической обработке для возможности дальнейшего волочения.  Рис. 32. Однократный волочильный стан: 1 – волока; 2 – направляющий ролик; 3 – нижний волочильный барабан; 4 – верхний волочильный барабан  В проволочно-волочильном производстве применяются следующие типы однократных волочильных машин: -однократная волочильная машина с вертикальным расположением от барабана и со съемом проволоки вверх. Волочильный барабан данной конструкции может принять достаточно большое количество проволоки (200 кг и более), а при приеме проволоки на катушку намоточного аппарата - значительно больше в зависимости от емкости катушки. Схема такой машины приведена на рис. -однократная волочильная машина с вертикальным расположением оси барабана, но со съемом проволоки вниз. Эта машина набирает на барабан небольшое количество витков проволоки (8-12), ровно столько, сколько необходимо для отсутствия скольжения проволоки, и непрерывно сбрасывает ее под действием силы тяжести и специального отсекающего устройства вниз в приемный контейнер большой емкости, вращающийся синхронно с волочильным барабаном. -однократная волочильная машина с горизонтальным расположением оси волочильного барабана принимает на барабан небольшое количество проволоки (всего один слой), но при сблокировании с намоточным аппаратом этот недостаток устраняется. Схема технологической линии многократного волочильного стана магазинного типа (без скольжения проволоки с накоплением) приведена на рис. 33. Рис. 33. Схема технологической линии непрерывного n-кратного волочильного стана магазинного типа: 1 – волока; 2 – поводок; 3 – ролик обводной; 4 – барабан волочильного (тянущего) блока; 5 – направляющий ролик; 6, 7 – редукторы; 8 – приводной электродвигатель; 9 – барабан намоточного аппарата На каждый последующий барабан, начиная со второго, проволока подается сверху предыдущего посредством специального поводкового устройства и направляющего ролика. Поводковое устройство работает следующим образом. В случае, если технологическая и кинематическая вытяжки не соответствуют друг другу, то поводковое устройство вращается со скоростью, обеспечивающей равенство скорости входа проволоки в последующую волоку (определенную скоростью вращения последующего барабана и вытяжкой в волоке) и скорости съема проволоки с барабана. Так, если скорость съема проволоки должна быть больше окружной скорости барабана, то поводковое устройство будет вращаться против вращения барабана, уменьшая запас проволоки на нем. И наоборот, если скорость съема проволоки должна быть меньше окружной скорости барабана, то поводковое устройство будет вращаться в направлении вращения барабана, увеличивая на нем запас проволоки. В случае переизбытка проволоки на каком-либо барабане стана этот блок и все предшествующие ему блоки останавливают и сматывают образовавшийся излишек. При недостатке проволоки останавливают все последующие блоки и производят необходимое накопление проволоки. Естественно, такой способ согласования скоростей существенно снижает производительность всего стана в целом. Вращение поводка сказывается на скручивании проволоки. Так, каждый его полный оборот вокруг барабана скручивает проволоку на 360°. Кроме того, многочисленные перегибы проволоки при переходе ее с блока на блок затрудняют заправку, особенно при больших диаметрах заготовки. Преимуществом станов такого типа является относительная простота конструкции (в т.ч. электропривода), хорошее охлаждение проволоки. Схема технологической линии многократного петлевого волочильного стана приведена на рис. 34 приведена, а на рис. 35 внешний вид вертикального волочильного стана. Рис. 34. Схема технологической линии непрерывного n-кратного петлевого волочильного стана: 1 – волока; 2 – барабан волочильного (тянущего) блока; 3 – петлеобразователи (компенсирующие ролики); 4 – редуктор, 5 – приводной электродвигатель; 6, 7 – барабаны размоточного и намоточного аппаратов Петлевые и прямоточные волочильные станы – это агрегаты многократного волочения, работающие с автоматическим регулированием скоростей промежуточных барабанов без накопления проволоки на них. На петлевых станах проволока передается с барабана на барабан через специальные компенсирующие ролики. При заправке стана на каждый барабан наматывается не более 10 витков, и в процессе работы это количество проволоки остается неизменным. В случае износа какой-либо волоки, или появления другого возмущающего воздействия, частота вращения приводных электродвигателей изменяется таким образом, чтобы обеспечить постоянство секундного объема металла в любом месте стана. Рис. 35. Петлевой вертикальный волочильный стан (GCR Eurodraw SpA) На прямоточных волочильных станах проволока передается непосредственно с барабана в последующую волоку без промежуточного перегиба через компенсирующие ролики (рис.36). По сравнению со станами магазинного типа петлевые и прямоточные станы характеризуются такими преимуществами, как исключение скручивания и перегибов проволоки, облегчение заправки стана, возможность обработки порошковой проволоки. Кроме того, станы подобного типа имеют возможность регулирования величины противонатяжения, что снижает удельное давление на волоки, повышает их стойкость, уменьшает температуру в очаге деформации, существенно снижает энергозатраты на процесс волочения, увеличивает скорость волочения. Для волочения проволоки тонких и наитончайших размеров применяются станы со скольжением. На этих станах тянущие барабаны, волока и проволока в процессе работы находятся в вводно-эмульсионной среде, и потому на практике их называют также станами “мокрого волочения”. Синхронизация скоростей на таких станах достигается путем проскальзывания проволоки относительно тянущего барабана. Волочильные барабаны такого стана состоят из ряда дисков разного диаметра, расположенных на одном валу. а б Рис. 36. Схема технологической линии непрерывного n-кратного прямоточного волочильного стана: 1 – волока; 2 – барабан прямоточного волочильного блока; 3 – барабан волочильного блока с накоплением; 4, 5 – редукторы; 6 – приводной электродвигатель; 7 – барабан намоточного аппарата Перед каждым диском (тяговой шайбой) установлены волоки. Для изменения направления движения проволоки и ее перевода от одной шайбы к другой предназначены холостые (обводные) шайбы, имеющие одинаковый с рабочими шайбами диаметр. На рис. 37 в качестве примера приведена схема движения проволоки, а на рис. 38 – кинематическая схема волочильного стана UDZWG 161/21. Рис. 37. Схема движения проволоки по тянущим барабанам и через волоки волочильного стана UDZWG 160/21 Рис. 38. Кинематическая схема волочильного стана UDZWG 160/21: 1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – клиноременная передача; 4 – тяговые шайбы Возможности процесса волочения ограничиваются прочностью переднего конца обрабатываемой проволоки, поэтому волочение целого ряда труднодеформируемых металлов и сплавов трудно осуществимо. На практике приходится занижать скорости волочения, единичные и суммарные обжатия, применять дорогостоящие материалы при изготовлении волок, использовать промежуточные термообработки проволоки. При этом часто наблюдаются различного рода поверхностные дефекты в виде надрывов, рисок, трещин и т.п. ЛЕКЦИЯ 8. ПРЕССОВАНИЕ  Прессование – вид обработки давлением, при котором металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие в матрице, соответствующее сечению прессуемого профиля (рис.40, 41). Рис. 40. Процесс прессования Рис. 41. Примеры отпрессованных изделий Это современный способ получения различных профильных заготовок: прутков диаметром 3…250 мм, труб диаметром 20…400 мм с толщиной стенки 1,5…15 мм, профилей сложного сечения сплошных и полых с площадью поперечного сечения до 500 см2. Впервые метод был научно обоснован академиком Курнаковым Н.С. в 1813 году и применялся главным образом для получения прутков и труб из оловянисто-свинцовых сплавов. В настоящее время в качестве исходной заготовки используют слитки или прокат из углеродистых и легированных сталей, а также из цветных металлов и сплавов на их основе (медь, алюминий, магний, титан, цинк, никель, цирконий, уран, торий). Технологический процесс прессования включает операции: • подготовка заготовки к прессованию (разрезка, предварительное обтачивание на станке, так как качество поверхности заготовки оказывает влияние на качество и точность профиля); • нагрев заготовки с последующей очисткой от окалины; • укладка заготовки в контейнер; • непосредственно процесс прессования; • отделка изделия (отделение пресс-остатка, разрезка). Прессование производится на гидравлических прессах с вертикальным или горизонтальным расположением плунжера, мощностью до 10 000 т. Применяются две метода прессования: прямой и обратный (рис.42) При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении. При прямом прессовании требуется прикладывать значительно большее усилие, так как часть его затрачивается на преодоление трения при перемещении металла заготовки внутри контейнера. Пресс-остаток составляет 18…20 % от массы заготовки (в некоторых случаях – 30…40 %). Но процесс характеризуется более высоким качеством поверхности, схема прессования более простая.   Рис.42. Схема прессования прутка прямым (а) и обратным (б) методом: 1 – контейнер; 2 – пресс-штемпель; 3 – заготовка; 4 – матрица; 5 – пресс-изделие; 6 – подвижная матрица При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение металла из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансона, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей. Обратное прессование требует меньших усилий, пресс-остаток составляет 5…6 %. Однако меньшая деформация приводит к тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Конструктивная схема более сложная. Во время прессования возникает очаг деформации, который зависит от способа прессования, коэффициент трения, податливости металла. Различают три основных вида очага деформации (рис.43). Рис. 43. Виды очага деформации при прессовании Первый вид (рис. 43, а) характерен тем, что деформация сосредоточена вблизи матрицы. Такой вид наблюдается при обратном прессовании, а также при прямом, если коэффициент трения низок (тщательная обработка стенок контейнера и качественная смазка). Прессование идет без «заворота» металла, механические свойства прутка по сечению и длине отличаются стабильностью. Второй вид (рис. 43, б) очага деформации имеет место при средних значениях коэффициента трения и незначительных изменениях механических свойств сечения слитка в контейнере (при захоложенных периферийных слоях). Очаг деформации распространяется на всю длину заготовки. Течение внутренних слоев происходит с некоторым опережением внешних. Появляются как бы два объема деформируемого тела: внешний и внутренний – однако прессование и в этом случае идет без «заворота». Третий вид (рис. 43, в) очага деформации имеет место при высоком коэффициенте трения между стенкой контейнера и слитком, а также значительной жесткости внешних слоев заготовки по сравнению с внутренними. Очаг деформации характеризуется высокой неравномерностью течения металла и состоит из трех объемов. Объем, расположенный непосредственно перед матрицей, отличается наибольшей интенсивностью течения металла. Объем по мере развития деформации течет от периферии к оси заготовки, создает пережим в первом объеме - возникает вихревое движение металла. Объем примыкает к пресс–шайбе, он увеличивается к концу прессования. Процесс прессования прекращают до момента входа этого объема в матрицу, т.к. начнется процесс «заворота» и снижение качества изделия ввиду вовлечения в готовое изделие окалины, окисление частиц металла с поверхности слитка, другой структуры металла. В местах перехода контейнера в матрицу появляются мертвые углы, в которых металл испытывает упругую деформацию. Наряду с отрицательной ролью мертвых зон (увеличивают пресс–остаток), они играют некоторую и положительную. В мертвых зонах скапливаются различные загрязнения металла. При определенных условиях эти примеси могут попасть в готовое изделие. Процесс прессования характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом вытяжки, степенью деформации и скоростью истечения металла из очка матрицы (рис. 44). Рис. 44. Матрица При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию и имеет очень высокую пластичность. Разнообразие металлов и сплавов, обрабатываемых прессованием требует наличия оборудования, позволяющих регулировать условия обработки (скорость, усилие прессования и др.). Наибольшее применение получили гидравлические прессы с горизонтальным расположением рабочего органа усилием до 200мН (рис.45), и с вертикальным расположением рабочего органа усилием до 10мН. Для обеспечения работы гидравлического пресса он оборудован рядом механизмов, выполняющими такие операции, как подача слитка в нагревательную печь, отрезка пресс – остатка, его уборка, транспортировка слитка на ось прессования, подача и отделение пресс–шайб и др. Рис.45. Горизонтальный гидравлический пресс: 1 – передняя траверса; 2 – головка матрицедержателя; 3 – механизм клинового затвора; 4 – контейнеродержатель; 5 – контейнер; 6 – главный плунжер; 7 – главный цилиндр; 8 – цилиндр обратного хода главного плунжера; 9 – стяжные колонны; 10 – шплинтон (пресс-штемпель); 11 – игла; 12 – гидроцилиндр прошивного устройства; 13 – возвратные цилиндры прошивного устройства К основным преимуществам процесса относятся: • возможность обработки металлов, которые из-за низкой пластичности другими методами обработать невозможно; • возможность получения практически любого профиля поперечного сечения; • получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы; • высокая производительность, до 2…3 м/мин. Недостатки процесса: • повышенный расход металла на единицу изделия из-за потерь в виде пресс-остатка; • появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических свойств по длине и поперечному сечению изделия; • высокая стоимость и низкая стойкость прессового инструмента; • высокая энергоемкость. ЛЕКЦИЯ 9. КОВКА  Ковка – способ обработки давлением, при котором деформирование нагретого (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота или однократным давлением пресса. Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях, перпендикулярных к движению деформирующего инструмента. При свободной ковке течение металла ограничено частично, трением на контактной поверхности деформируемый металл – поверхность инструмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов. Ковкой получают разнообразные поковки массой до 300 т. Первичной заготовкой для поковок являются: • слитки, для изготовления массивных крупногабаритных поковок; • прокат сортовой горячекатаный простого профиля (круг, квадрат). Ковка может производиться в горячем и холодном состоянии. Холодной ковке поддаются драгоценные металлы – золото, серебро; а также медь. Технологический процесс холодной ковки состоит из двух чередующихся операций: деформации металла и рекристаллизационного отжига. В современных условиях холодная ковка встречается редко, в основном в ювелирном производстве. Горячая ковка применяется для изготовления различных изделий, а также инструментов: чеканов, зубил, молотков и т.п. Материалом для горячей ковки являются малоуглеродистые стали, углеродистые инструментальные и некоторые легированные стали. Каждая марка стали имеет определенный интервал температур начала (1100-1300 ) и конца ковки (870-900), зависящий от состава и структуры обрабатываемого металла. Различают ковку предварительную и окончательную. Предварительная (или черновая) ковка представляет собой кузнечную операцию обработки слитка для подготовки его к дальнейшей деформации прокаткой, прессованием и т.п. Окончательная (чистовая ковка) охватывает все методы кузнечной обработки, с помощью которых изделию придают окончательную форму. Биллетирование – превращение слитка в болванку или заготовку: включает сбивку ребер и устранение конусности. Обжатие при биллетировании составляет 5…20 %. Проковка слитка предназначена для обжатия металла в углах слитка с целью предварительного деформирования литой структуры – дендритов, которые имеют стыки в этих углах. Биллетирование способствует заварке воздушных пузырей и других подкорковых дефектов литой структуры, созданию пластичного поверхностного слоя металла, благоприятно влияющего на дальнейшую деформацию. После биллетирования производят обрубку донной части слитка. Рубка – применяется для отделения от основной заготовки негодных частей или для разделения заготовки на части (рис.46). Рис. 46. Рубка заготовки Рубка производится в холодном и горячем состоянии. В холодном состоянии рубят тонкие и узкие полосы и прутки сечением 15…20 мм. Более толстые заготовки нагревают. Схема рубки основана на действии деформирующей силы на малую площадь соприкосновения инструмента с заготовкой, а реакция этой силы со стороны нижней части распределена по большой поверхности заготовки, и пластической деформации здесь не возникает. В зависимости от габаритов и формы заготовок используют следующие способы рубки: • с одной стороны – для тонких заготовок; • с двух сторон, сначала осуществляется предварительная надрубка заготовки на 0,5…0,75 высоты, после кантовки на 1800 проводится окончательная рубка; • с трех сторон – для круглых и крупных заготовок, осуществляются две надрубки на глубину 0,4 диаметра заготовки с кантовкой на 1200, после второй кантовки на 1200 проводят окончательную рубку; • с четырех сторон – для крупных заготовок, после надрубки с четырех сторон в центре остается перемычка прямоугольного сечения, по месту которой производят разделение заготовки на части. Осадка – операция обработки давлением, в результате которой уменьшается высота и одновременно увеличиваются поперечные размеры заготовок (рис.47,а). Рис. 47. Осадка заготовки: Разновидностями осадки являются высадка и осадка разгонкой торца. Высадка – кузнечная операция, заключающаяся в деформировании части заготовки (концевой части или середины). Для проведения операции используют местный нагрев, например, в середине заготовки (рис. 47, б), или ограничивают деформацию на части заготовки кольцевым инструментом (рис. 47, в). Осадка разгонкой торца позволяет уменьшить высоту и увеличить площадь ранее осаженной заготовки (рис. 47, г). Локализация деформации позволяет уменьшить усилие осадки. Осадку применяют для получения формы поковки, с целью уменьшения глубины прошивки, для обеспечения соответствующего расположения волокон в будущей детали (при изготовлении шестерней обеспечивается повышенная прочность зубьев в результате радиального расположения волокон), как контрольную операцию (из-за значительной деформации по периметру на боковой поверхности вскрываются дефекты). При выполнении осадки требуется, чтобы инструмент перекрывал заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, это характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям. Средний диаметр заготовки определяется по формуле: Осадке подвергают заготовки, для которых высота не превышает 2,5…3 диаметра. В противном случае возможен или продольный изгиб заготовки, или образование седлообразности. Протяжка (вытяжка) – кузнечная операция, в результате которой происходит увеличение длины заготовки за счет уменьшения площади ее поперечного сечения. Протяжка не только изменяет форму заготовок, но и улучшает качество металла. Операция заключается в нанесении последовательных ударов и перемещении заготовки, при этом между бойками во время удара находится только часть заготовки. После каждого обжатия заготовка продвигается на величину, меньшую, чем длина бойка (рис.48, а). Протягивать можно плоскими (рис.48, а) и вырезными (рис.48, б) бойками. Протяжка на плоских бойках может выполняться двумя способами. Первый способ. Протяжка выполняется по всей длине слитка или заготовки вначале с одной стороны, а после кантовки на 900 – с другой стороны и т.д. Большие по длине поковки могут изгибаться в бойках концами вниз. Чтобы исправить изгиб, поковки кантуют сначала на 1800 , а потом на 900. Рис. 48. Виды протяжки Второй способ. Поочередная протяжка на плоских бойках (по винтовой линии) – после каждого обжатия следует кантовка на 90º в одну и ту же сторону, после каждых четырех обжатий следует подача. Способ более трудоемкий, применяется при ковке твердых инструментальных сталей. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (особенно при проковке круглого сечения) значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. Протяжка в вырезных бойках или в комбинации плоских бойков с вырезными используется при ковке легированных сталей с пониженной пластичностью. Благодаря боковому давлению, создаваемому жесткими стенками инструмента повышаются сжимающие напряжения, увеличивается пластичность металла. Получают поковки более точные по форме и размерам. Возрастает скорость протяжки. 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 возникновения осевых трещин. Разновидностями протяжки являются разгонка, протяжка с оправкой, раскатка на оправке. Разгонка (расплющивание) – операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины (рис.48, в). Операция выполняется за счет перемещения инструмента в направлении, перпендикулярном оси заготовки. Протяжка на оправке – операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенки и уменьшения наружного диаметра (рис.48, г). Раскатка на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис.48, д). Прошивка – операция получения в заготовке сквозных или глухих отверстий за счет вытеснения металла (рис.49, а и б). Рис. 49. Операции прошивки, гибки и штамповки в подкладных штампах Инструментом для прошивки служат прошивни сплошные и пустотелые. Пустотелые прошивают отверстия большого диаметра (400…900 мм). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца (рис.49, б). Более толстые поковки прошивают с двух сторон без подкладного кольца (рис.49, а). Диаметр прошивня выбирают не более половины наружного диаметра заготовки, при большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается. Прошивка сопровождается отходом (выдрой). Гибка – операция придания заготовке или ее части изогнутой формы по заданному контуру (рис.49, в). Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в месте изгиба (утяжка). Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Для избежания этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления. Радиус в месте изгиба не должен быть меньше полутора толщин заготовки. В качестве оборудования применяются ковочные молоты и ковочные прессы. ЛЕКЦИЯ 10. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА   Объемной штамповкой называют процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией. Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки. Объемную штамповку осуществляют при разных температурах исходной заготовки и, в соответствии с температурой, делят на холодную и горячую. Наиболее широкое распространение получила горячая объемная штамповка (ГОШ), которую ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения. Исходным материалом для горячей объемной штамповки являются сортовой прокат, прессованные прутки, литая заготовка, в крупносерийном производстве – периодический прокат, что обеспечивает сокращение подготовительных операций. Технологический процесс изготовления поковки включает следующие операции: отрезка проката на мерные заготовки, нагрев, штамповка, обрезка облоя и пробивка пленок, правка, термическая обработка, очистка поковок от окалины, калибровка, контроль готовых поковок. Штамповку осуществляют в открытых и закрытых штампах. В открытых штампах получают поковки удлиненной и осесимметричной формы. В закрытых штампах – преимущественно осесимметричные поковки, в том числе из малопластичных материалов.   Рис. 50. Объемная штамповка в открытых (а) и закрытых (б, в) штампах Штамповка жидкого металла является одним из прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать плотные заготовки с уменьшенными пропусками на механическую обработку, с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Технологический процесс штамповки жидкого металла объединяет в себе процессы литья и горячей объемной штамповки. Процесс заключается в том, что расплав, залитый в матрицу пресс-формы, уплотняют пуансоном, закрепленным на ползуне гидравлического пресса, до окончания затвердевания. Сопряжение пуансона и матрицы образует закрытую фасонную полость. Наружные контуры заготовки получают разъемной формой, если деталь имеет наружные выступы, или неразъемной формой – при отсутствии выступов. Внутренние полости образуются внедрением пуансона в жидкий металл. После извлечения из пресс-формы заготовку подвергают различным видам обработки или используют без последующей обработки. Под действием высокого давления и быстрого охлаждения газы, растворенные в расплаве, остаются в твердом растворе. Все усадочные пустоты заполняются незатвердевшим расплавом, в результате чего заготовки получаются плотными, с мелкокристаллическим строением, что позволяет изготавливать детали, работающие под гидравлическим давлением. Этим способом можно получить сложные заготовки с различными фасонными приливами на наружной поверхности, значительно выходящими за пределы основных габаритных размеров детали. В заготовках могут быть получены отверстия, расположенные не только вдоль движения пуансона, но и в перпендикулярном направлении. Возможно запрессовывать в заготовки металлическую и неметаллическую арматуру. Процесс используется для получения фасонных заготовок из чистых металлов и сплавов на основе магния, алюминия, меди, цинка, а также из черных металлов. ЛЕКЦИЯ 11. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА  Холодная штамповка производится в штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла. Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения высококачественных заготовок небольших и точных из стали и цветных металлов. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости изготовления изделий. Возможность осуществления холодной штамповки и качество заготовок определяются качеством исходного материала. Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. Процессы холодной штамповки часто выполняют за несколько технологических переходов, постепенно приближая форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых изделий и осуществляя промежуточный отжиг для снятия наклепа и восстановления пластических свойств металла. В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов холодную штамповку делят на объемную и листовую.   Объемная холодная штамповка  Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Основными ее разновидностями являются: высадка, выдавливание, объемная формовка, чеканка. Высадка – образование на заготовке местных утолщений требуемой формы в результате осадки ее конца (рис.51).   Рис.51. Схема высадки   Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка из черных или цветных металлов. Высадкой изготавливают стандартные и специальные крепежные изделия, кулачки, валы-шестерни, детали электронной аппаратуры, электрические контакты и т.д. Последовательность переходов изготовления деталей показана на рис.52: за три перехода (рис.52,а); за пять переходов (рис.52,б).   Рис.52. Последовательность переходов изготовления детали   Высадка осуществляется на прессах, горизонтально-ковочных машинах, автоматических линиях, оснащенных холодновысадочными пресс-автоматами.  Выдавливание – формообразование сплошных или полых изделий, благодаря пластическому течению металла из замкнутого объема через отверстия соответствующей формы. Особенностью процесса является образование в очаге деформации схемы трехосного неравномерного сжатия, повышающего технологическую пластичность материала. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание (рис.53). Рис.53. Схемы выдавливания: а, б – прямого; в, г – обратного; д, е – комбинированного; ж - бокового   Выдавливание можно осуществлять и в горячем состоянии.  Она производится в открытых штампах, где излишки металла вытекают в специальную полость для образования облоя (рис.53,а), и в закрытых штампах, где облой не образуется (рис.53,б). Формовку в закрытых штампах применяют реже из-за больших сложности и стоимости получения заготовок точного объема, необходимости использования более мощного оборудования и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах получают в основном детали из цветных металлов. Объемной формовкой изготавливают пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Холодная объемная формовка требует значительных удельных усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе деформации. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Для облегчения процесса деформирования оформление детали расчленяется на переходы, между которыми заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Каждый переход осуществляют в специальном штампе, а между переходами обрезают облой для уменьшения усилия деформирования и повышения точности размеров деталей. Объемная формовка – формообразование изделий путем заполнения металлом полости штампа. Схемы объемной формовки представлены на рис.54. Заготовкой служит полоса или пруток, причем процесс штамповки может осуществляться непосредственно в полосе или прутке или из штучных заготовок. В качестве оборудования используют прессы, однопозиционные и многопозиционные автоматы. Чеканка – образование рельефных изображений на деформируемом материале. Чеканка осуществляется в закрытых штампах на чеканочных фрикционных и гидравлических прессах. Рис.54. Схемы объемной формовки: а – в открытых штампах; б – в закрытых штампах  При холодной штамповке коэффициент использования материала достигает 95 %. При холодном деформировании формируется благоприятная ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках. Это позволяет получать конструкции с меньшими размерами и металлоемкостью, чем у конструкций, полученных обработкой резанием, не снижая при этом их надежность. Но для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производствах.   ЛЕКЦИЯ 12. ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА   Листовая штамповка – один из видов холодной обработки давлением, при котором листовой материал деформируется в холодном или подогретом состоянии. Листовой штамповкой изготавливаются разнообразные плоские и пространственные детали – от мелких, массой от долей грамма и размерами в доли миллиметра (секундная стрелка часов), до средних (металлическая посуда, крышки, кронштейны) и крупных (облицовочные детали автомобилей). Толщина заготовки при листовой штамповке обычно не более 10 мм, но иногда может превышать 20 мм, в этом случае штамповка осуществляется с предварительным подогревом до ковочных температур. При листовой штамповке используют: низкоуглеродистые стали, пластичные легированные стали, цветные металлы и сплавы на их основе, драгоценные металлы, а также неметаллические материалы: органическое стекло, фетр, целлулоид, текстолит, войлок и др. Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно, автомобилестроении, ракетостроении, самолетостроении, приборостроении, электротехнической промышленности. Основные преимущества листовой штамповки: • возможность изготовления прочных легких и жестких тонкостенных деталей простой и сложной формы, получить которые другими способами невозможно или затруднительно; • высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить механическую обработку; • сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30 000…40 000 деталей в смену с одной машины); • хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически выгодна и в массовом, и в мелкосерийном производствах. Холодная листовая штамповка заключается в выполнении в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам придают форму и размеры детали. Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий характерное изменение формы определенного участка заготовки. Различают разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно завершается разрушением, и формообразующие операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе деформирования. При проектировании технологического процесса изготовления деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными эксплуатационными свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях труда. Разделительные операции предназначены или для получения заготовки из листа или ленты, или для отделения одной части заготовки от другой. Операции могут выполняться по замкнутому или по незамкнутому контуру. Отделение одной части заготовки от другой осуществляется относительным смещением этих частей в направлении, перпендикулярном к плоскости заготовки. Это смещение вначале характеризуется пластическим деформированием, а завершается разрушением. Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операции для разделения листов на полосы и заготовки нужных размеров. Основные типы ножниц представлены на рис. 55. Ножницы с поступательным движением режущих кромок ножа могут быть с параллельными ножами, для резки узких полос, с одним наклонным ножом – гильотинные (рис.55, а). Режущие кромки в гильотинных ножницах наклонены друг к другу под углом 1…50 для уменьшения усилия резания. Лист подают до упора, определяющего ширину отрезаемой полосы В. Длина отрезаемой полосы L не должна превышать длины ножей. Ножницы с вращательным движением режущих кромок – дисковые (рис.55, б). Длина отрезаемой заготовки не ограничена инструментом. Вращение дисковых ножей обеспечивает не только разделение, но и подачу заготовки под действием сил трения. Режущие кромки ножей заходят одна за другую, это обеспечивает прямолинейность линии отрезки. Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть в 30…70 раз больше толщины заготовки, увеличиваясь с уменьшением коэффициента трения. Все операции выполняются при помощи специальных инструментов – штампов, которые имеют различные конструкции в зависимости от назначения. Штампы состоят из рабочих элементов – матрицы и пуансона, и вспомогательных частей – прижимов, направляющих, ограничителей и т.д. Пуансон вдавливается в деформируемый металл или охватывается им, а матрица охватывает изменяющую форму заготовку и пуансон. Рис. 55. Схемы действия ножниц: а – гильотинных; б – дисковых Вырубка и пробивка – отделение металла по замкнутому контуру в штампе. При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали, а пробивкой – внутренний контур (изготовление отверстий). Вырубку и пробивку осуществляют металлическими пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает часть заготовки в отверстие матрицы. Схема процессов вырубки и пробивки представлена на рис. 56. Уменьшение усилия резания достигается выполнением скоса на матрице при вырубке, на пуансоне – при пробивке. При штамповке мало- и среднегабаритных деталей из одной листовой заготовки вырубают несколько плоских заготовок для штамповки. Между смежными контурами вырубаемых заготовок оставляют перемычки шириной, примерно равной толщине заготовки. В отдельных случаях смежные заготовки вырубают без перемычек (экономия металла при ухудшении качества среза и снижении стойкости инструмента). Рис. 56. Схема процессов вырубки (а) и пробивки (б): 1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – изделие, 4 – отход Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называется раскроем. Часть заготовки, оставшаяся после вырубки – высечкой. Высечка составляет основной отход при листовой штамповке. Тип раскроя следует выбирать из условия уменьшения отхода металла в высечку (рис.57). Экономия металла может быть получена: уменьшением расхода металла на перемычки, применением безотходного и малоотходного раскроя, повышением точности расчета размеров заготовки и уменьшением припусков на обрезку. При формообразующих операциях стремятся получить заданную величину деформации, чтобы заготовка приобрела требуемую форму. Основные формообразующие операции: гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка представлены на рис.58. Рис. 57. Примеры раскроя материала с перемычками (а) и без перемычек (б) Рис. 58. Формоизменяющие операции листовой штамповки:  а – гибка; б, в – вытяжка; г – отбортовка; д – обжим; е – формовка; 1 – пуансон; 2 – прижим; 3 – матрица Гибка – образование угла между частями заготовки или придание заготовке криволинейной формы. Вытяжка – образование полого изделия из плоской или полой заготовки. Отбортовка – получение борта диаметром путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу. Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки. Раздача – увеличение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки коническим пуансоном; это операция противоположная обжиму. Рельефная формовка – местное деформирование заготовки с целью образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки. Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости, лабиринтные уплотнения. Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции: вырубные, гибочные, вытяжные и т.д. В зависимости от числа выполняемых операций различают одно- и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, в которых операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа, и совмещенного действия, в которых операции выполняются на одной позиции, например, одновременно вырубка и пробивка, вырубка и вытяжка и т.д. В настоящее время применяют специальные конструкции штампов, в которых металлические пуансоны или матрицы отсутствуют, и давление на материал осуществляется при помощи резины, жидкости или сжатого воздуха. Особенностью высокоскоростных методов штамповки является высокая скорость деформирования в соответствии с высокими скоростями преобразования энергии. Кратковременное приложение больших усилий разгоняет заготовку до скоростей 150 м/с. Последующее ее деформирование происходит за счет накопленной в период разгона кинетической энергии. Основными разновидностями высокоскоростной листовой штамповки являются: штамповка взрывом, электрогидравлическая и электромагнитная штамповка. ЗАДАЧИ 1. Определите диаметр готовой проволоки после волочения заготовки диаметром 5,5 мм в пять проходов с коэффициентом вытяжки 1,25 в каждом проходе. 2. Определите единичную степень деформации при волочении проволоки по маршруту 5,30→4,70→4,10→3,55→3,10. 3. Определите толщину готового листа если заготовка имела толщину 1,50 мм, длину 55 м и ширину 1,7 м, а готовый прокат увеличился в длину на 26 м при уширении равном 0. 4. Определите суммарную степень деформации при волочении проволоки по маршруту 5,30→4,70→4,10→3,55→3,10. 5. Определите суммарную степень деформации при прокатке листа с толщины 12 мм до 5,0 мм. 6. Определите коэффициент вытяжки при волочении проволоки с диаметра 12 мм до 6,0 мм. 7. Полосу толщиной 40 мм прокатали на стане за один проход до толщины 32 мм. Определить абсолютное и относительное обжатие полосы за проход. 8. Полоса после первого прохода в чистовой клети толстолистового стана имела толщину 58 мм. Определить абсолютное обжатие полосы, толщину ее до прохода, если известно, что относительное обжатие за проход равнялось 10,8 %. 9. Заготовку с начальными размерами 640х800х3200 мм прокатали за один проход на блюминге 1150. Абсолютное обжатие в проходе составляло 70 мм, а полоса стала шире на 20 мм. Определить относительное обжатие и конечные размеры слитка. 10. Заготовку толщиной 35 мм прокатали на стане за один проход до толщины 26 мм. Определить абсолютное и относительное обжатие за проход. ЛИТЕРАТУРА 1. Непрерывная прокатка Коллектив. моногр. Под ред. В. Н. Данченко. - Днепропетровск: Днiпро-ВАЛ, 2002. - 604 с. ил. 2. Гарбер, Э. А. Теория прокатки Текст учебник для вузов по направлению "Металлургия" Э. А. Гарбер, И. А. Кожевникова. - Старый Оскол: Тонкие наукоемкие технологии, 2015. - 311 с. ил. 3. Ковка и штамповка Текст Т. 1 Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / А. Ю. Аверкиев и др. под ред. Е. И. Семенова справочник : в 4 т ред. совет : Е. И. Семенов (пред.) и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - 716 с. ил. 4. Ковка и штамповка Текст Т. 2 Горячая объемная штамповка / А. П. Атрошенко и др.; под ред. Е. И. Семенова справочник : в 4 т. ред. совет.: Е. И. Семенов (пред.) и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - 719 с. ил. 5. Ковка и штамповка Текст Т. 4 Листовая штамповка / А. Ю. Аверкиев и др.; под ред. С. С. Яковлева справочник : в 4 т. ред. совет : Е. И. Семенов (пред.) и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - 731 с. ил. 6. Ковка и штамповка Текст Т. 3 Холодная объемная штамповка. Штамповка металлических порошков / Е. Г. Белков и др.; под ред. А. М. Дмитриева справочник: в 4 т. ред. совет: Е. И. Семенов (пред.) и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - 348 с. ил. 24 см 7. Жолобов, В. В. Прессование металлов В. В. Жолобов, Г. И. Зверев.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1971. - 455 с. ил., 1 л. черт. 8. Перлин, И. Л. Теория волочения И. Л. Перлин. - М.: Металлургиздат, 1957. - 424 с. ил. 9. Перлин, И. Л. Теория волочения Текст И. Л. Перлин, М. З. Ерманок. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1971. - 448 с. ил. 10. Перлин, И. Л. Теория прессования металлов. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Металлургия, 1975. - 448 с.