Основные виды обработки металлов давлением

Конспект лекций «Обработка металлов давлением» Верхняя Пышма, 2015 1 Содержание ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................... 5 1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ........................................ 6 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ .................................. 10 2.1. Упругая и пластическая деформация. Величины, характеризующие деформацию .. 10 2.2. Деформационное упрочнение и рекристаллизация ....................................................... 12 2.3. Некоторые законы пластической деформации .............................................................. 16 2.4. Напряженное и деформированное состояние металла.................................................. 22 2.5. Основные факторы, влияющие на пластичность металлов .......................................... 27 3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРОКАТКИ ..................................................................................... 31 3.1. Определение процесса прокатки. Продольная прокатка .............................................. 31 3.2. Геометрия очага деформации при прокатке .................................................................. 32 3.3. Параметры деформации при прокатке............................................................................ 34 3.4. Условие захвата металла валками ................................................................................... 35 3.5. Опережение и уширение .................................................................................................. 38 4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОДОЛЬНОЙ ПРОКАТКИ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ .................................................................................... 40 4.1. Классификация основной продукции, получаемой продольной прокаткой ............... 40 4.2. Классификация прокатных станов .................................................................................. 44 4.3. Общая характеристика оборудования линии рабочей клети........................................ 49 4.4. Общая схема производства в прокатных цехах ............................................................. 55 4.5. Получение профилей переменного и периодического сечения ................................... 57 4.6. Цветные металлы и сплавы, подвергаемые обработке давлением, их свойства и области применения ................................................................................................................ 59 4.7. Производство сортового проката и проволоки из цветных металлов и сплавов ....... 64 4.8. Пороки готовых профилей и способы их удаления ...................................................... 66 5. ТЕХНОЛОГИЯ ТРУБНОГО ПРОИЗВОДСТВА.................................................................. 82 5.1. Способы производства труб ............................................................................................ 82 2 5.2. Производство бесшовных труб ....................................................................................... 83 5.3. Производство труб на станах холодной прокатки труб ................................................ 90 5.4. Производство сварных труб ............................................................................................ 95 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ .......................................... 99 6.1. Сущность процесса прессования ..................................................................................... 99 6.2. Основные характеристики процесса прессования ....................................................... 101 6.3. Теоретические основы процесса прессования ............................................................. 101 6.4. Оборудование для прессования ..................................................................................... 105 6.5. Способы прессования ..................................................................................................... 108 6.6. Прессование труб ............................................................................................................ 110 7. ТЕХНОЛОГИЯ ВОЛОЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............................................. 111 7.1. Сущность процесса волочения ...................................................................................... 111 7.2. Основные характеристики процесса волочения .......................................................... 111 7.3. Теоретические основы процесса ................................................................................... 113 7.4. Оборудование для волочения ........................................................................................ 114 7.5. Технология волочения прутков и проволоки ............................................................... 117 7.6. Технология волочения труб ........................................................................................... 118 8. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК ................................................................. 120 8.1. Назначение ковки............................................................................................................ 120 8.2. Основные операции ковки ............................................................................................. 120 8.3. Влияние ковки на структуру и механические свойства металлов ............................. 125 8.4. Оборудование и технология ковки ............................................................................... 127 9. ТЕХНОЛОГИЯ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ................................................ 131 9.1. Сущность процесса горячей объемной штамповки .................................................... 131 9.2. Виды горячей объемной штамповки............................................................................. 131 9.3. Оборудование для штамповки ....................................................................................... 132 9.4. Технологический процесс штамповки .......................................................................... 137 3 10. ТЕХНОЛОГИЯ ХОЛОДНОЙ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ ......................................... 138 10.1. Сущность процесса холодной листовой штамповки................................................. 138 10.2. Основные операции листовой штамповки ................................................................. 139 10.3. Оборудование для листовой штамповки .................................................................... 143 10.4. Технология листовой штамповки................................................................................ 145 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................................................................... 147 4 ВВЕДЕНИЕ Основные виды ОМД. Существует много способов формоизменения металлов, из которых наиболее распространенными являются литейное производство, обработка металлов резанием и обработка металлов давлением. Литье – наиболее простой, высокопроизводительный и дешевый способ получения отливок практически из всех металлов и сплавов. Литые изделия отличает разнообразие форм: от простых до очень сложных. К сложным формам можно отнести изделия, получаемые художественным литьем. Однако для отливок характерны такие дефекты, как пористость, неметаллические включения, крупнозернистая структура. Кроме того, в результате неравномерного охлаждения отливок в них возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому (чаще всего) литые детали не способны работать при значительных силовых и ударных нагрузках и уступают по уровню механических свойств изготовленным обработкой давлением. Обработкой резанием получают разнообразные детали, имеющие высокую точность размеров и чистоту поверхности. Но при этом в отход в виде стружки идут миллионы тонн металла. Снизить стружкообразование при резании можно за счет использования заготовок, близких по своим размерам к изделиям. Обработка металлов давлением (ОМД) способна объединить указанные способы получения изделий из металлов. Так, в качестве заготовок для обработки давлением чаще всего используются отливки. В процессе деформирования меняется их структура: измельчается зерно, завариваются поры, устраняется химическая неоднородность (дендритная ликвация) и т.д. Изменения структуры способствуют повышению уровня механических свойств: повышаются прочность и пластичность металлических заготовок. Кроме того, обработанная давлением заготовка становится максимально приближенной к готовой детали по своей форме и размерам, что значительно снижает количество отходов при обработке резанием и упрощает технологию этих процессов. Принято различать шесть основных видов обработки металлов давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, объемная штамповка (горячая или холодная), листовая штамповка. Часто перечисленные виды делят на две группы. В первую группу включают прокатку, прессование и волочение, которыми получают однотипную длинномерную продукцию, а ко второй – относят оставшиеся виды, объединяя их в кузнечно-штамповочное производство. Дадим определения каждому из перечисленных процессов обработки металлов давлением. 5 1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ Прокатка 1) Прокатку осуществляют между двумя приводными валками, вращающимися навстречу друг другу. Иногда к двум горизонтальным добавляют два вертикальных, оси которых расположены в одной вертикальной плоскости. 2) Движение заготовки поступательное, ее ось перпендикулярна осям валков. 3) Длина раската (метры, километры) многократно превышает размеры поперечного сечения (миллиметры). Способом продольной прокатки (Рисунок 1.1) получают листы, полосы, сортовые профили, бесшовные трубы и катанку, постоянного и переменного (периодического) сечения. Именно этим способом производят основную массу прокатной продукции из черных и цветных металлов. Процесс прокатки осуществляют в горячем (третий передел) и холодном (четвертый передел) состояниях, применяют в основном в металлургии, реже в машиностроении и металлообработке. Рисунок 1.1 - Схема продольной прокатки: 1 – верхний валок; 2 – прокатываемая полоса; 3 – нижний валок Волочение Процесс волочения (Рисунок 1.2) заключается в протягивании заготовки (прутка, проволоки) через волочильное очко (волоку), поперечное сечение которого меньше сечения заготовки. Предварительно передний конец заготовки заостряют, вводят в отверстие волоки и захватывают клещевым устройством. Способом волочения получают прутки, проволоку сплошного и полого сечения различной формы и размеров с высокой точностью и качеством поверхности. Волочению подвергают черные и цветные металлы в основном в холодном состоянии. Благодаря простоте, процесс волочения используют во многих отраслях народного хозяйства, но главным образом в металлургии, машиностроении и металлообработке. 6 Рисунок 1.2 - Схема процесса волочения: 1 – волока; 2 – пруток Прессование Процесс прессования заключается в выдавливании металла (круглой заготовки) из контейнера через матрицу с отверстием (Рисунок 1.3). Путем прессования получают профили сплошного и полого сечения самой разнообразной формы в зависимости от формы очка матрицы. Процесс осуществляют в горячем или холодном состояниях, используют в основном в машиностроении и металлургии. Внешне процесс прессования сходен с волочением, только вместо приложения тянущего усилия к переднему концу изделия прилагают выталкивающее усилие к заднему концу заготовки посредством пуансона. Рисунок 1.3 - Схема процесса прессования: 1 – контейнер; 2 – матрица; 3 – изделие; 4 – слиток; 5 – пуансон Ковка Процесс ковки – один из древнейших видов ОМД (Рисунок 1.4.). Свободную ковку осуществляют между двумя бойками, один из которых (нижний) неподвижный, второй (верхний) совершает возвратно-поступательные движения вверх-вниз. При ходе вниз осуществляется пластическая деформация заготовки (рабочий ход), при ходе вверх 7 (холостой ход) заготовку продвигают на ширину бойка. При этом, если необходимо обжимать заготовку по высоте и ширине, ее кантуют поочередно на 90о. Рисунок 1.4 - Схема процесса свободной ковки: 1 – верхний боек; 2 – заготовка; 3 – нижний боек Процесс осуществляется преимущественно в горячем состоянии, используют для получения крупных поковок из черных металлов для последующей механообработки в машиностроении и механических цехах металлургических заводов. Штамповка Различают объемную штамповку и листовую штамповку. Процесс объемной штамповки (Рисунок 1.5) сродни ковки, только вместо бойков используют штампы, состоящие из двух половин. В каждой из них выполняют полости, по форме соответствующие форме штампуемых изделий. В отличие от свободной ковки течение металла здесь ограничивают полости штампа, а излишек металла уходит в заусенец (облой). Это обеспечивает достаточно высокую точность изделия. Рисунок 1.5 - Схема объемной штамповки: 1 – верхняя часть штампа; 2 – нижняя часть штампа; 3 – изделие; 4 – облой (заеусенец) 8 Штампы работают в тяжелых условиях – высокие температуры, частые теплосмены, большие давления. Поэтому их изготавливают из дорогих теплостойких, износостойких сталей. Сам процесс изготовления штампов весьма трудоемок. Вследствие этого объемную штамповку применяют при необходимости изготовления ограниченного сортамента изделий крупными сериями. При листовой штамповке основным инструментом являются матрица и прижим с центральным отверстием, равным наружному диаметру изделия, и пуансон диаметром, равным внутреннему диаметру изделия (Рисунок 1.6). Рисунок 1.6 - Схема листовой штамповки: 1 – пуансон; 2 – прижим; 3 – матрица; 4 изделие Круглую заготовку из листов толщиной 0,5…4,0 мм пластичных металлов и сплавов (медь, алюминий, углеродистая и легированная стали и пр.) укладывают на матрицу, прижимают прижимом и пуансоном деформируют заготовку. В результате получают изделия в виде колпачков. Этим способом получают практически всю кухонную посуду – кружки, миски, кастрюли и пр. 9 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 2.1. Упругая и пластическая деформация. Величины, характеризующие деформацию В основе теории прокатки лежит общая теория ОМД и теория пластичности, изучаемые в специальных курсах. Мы рассмотрим лишь некоторые общие положения. Под воздействием внешних сил твердые тела могут изменять свою форму и размеры. Свойства металлов изменять свою форму и размеры без нарушения сплошности под воздействием приложенных внешних сил называется пластичностью, а само изменение формы и размеров твердого тела называется деформацией. Возникающие при этом напряжения определяют как отношение силы, приложенной к телу, к площади его поперечного сечения: Р (2.1)   Н/мм2, F где Р – приложенная к телу сила, Н; F – площадь поперечного сечения, мм2. Различают деформации упругую и пластическую, остаточную. Деформация называется упругой, если после прекращения действия приложенной силы тело приобретает первоначальные размеры. В противном случае деформация называется пластической, остаточной. Однако, обладая необходимой пластичностью, тело не утрачивает своих упругих свойств полностью. Поэтому полная деформация тела (ε+δ) всегда имеет две составляющие: ε – упругую и δ – пластическую (Рисунок 2.1). Для обработки давлением выгодно, чтобы первая составляющая у обрабатываемого тела была наименьшей (горячая обработка металлов давлением). Рисунок 2.1 - Схема остаточной и упругой деформаций: а – при растяжении; б – при сжатии; 1 – до деформации; 2 − под нагрузкой; 3 − после разгрузки 10 Мерой пластичности металла называют величину относительной деформации (продольной и поперечной) в момент разрушения: − относительное удлинение, которое рассчитывается по формуле: L  Lн (2.2)  k  100 , % Lн − относительное поперечное сужение, рассчитываемое по формуле: Fн  Fк   100 , %, Fн (2.3) где Lн и Fн - начальные длина и площадь поперечного сечения образца, Lк и Fк - конечные длина и площадь поперечного сечения образца. Прочностные свойства металла характеризуют твердость (Н) и прочность (в). Упругая деформация всегда предшествует пластической. Это наглядно видно на диаграмме растяжения образца (Рисунок 2.2). В начальной стадии растяжения на участке ОА имеет место упругая деформация: напряжение  возрастает прямо пропорционально увеличению относительной деформации . Рисунок 2.2 - Диаграмма растяжения стального образца Зависимость между ними подчиняется закону Гука, который вычисляют по формуле:  =E, (2.4) где Е – модуль упругости металла. При дальнейшем растяжении упругая деформация переходит в пластическую. Причем для некоторых материалов такой переход происходит скачкообразно, металл как бы течет при постоянном напряжении (площадка текучести АВ). Затем вследствие наклепа напряжение возрастает, достигая максимума в точке D. После чего деформация локализуется в средней части образца и, наконец, в точке М происходит его разрыв на две части. Если в точке А снять приложенную силу растяжения, то разгрузка образца произойдет по прямой АО, и он примет первоначальный размер (упругая деформация). 11 Если же снять приложенную нагрузку в точке В, то размеры образца будут изменяться не по кривой ВАО, а по прямой ВN и отрезок ON будет характеризовать величину относительной пластической деформации образца. Напряжение, при котором деформация из упругой переходит в пластическую, называются пределом текучести (т), а максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца – временным сопротивлением (в). Они разные для разных материалов и для одного и того же материала в зависимости от температуры, скорости деформации и т.п. Для большинства металлов переход от упругой к пластической деформации происходит постепенно и на кривой растяжения четко не фиксируется. Поэтому для таких металлов определяют так называемый условный предел текучести, как напряжение при некоторой малой величине пластической деформации, например 0,2%. В таком случае условный предел текучести обозначают 0,2. 2.2. Деформационное упрочнение и рекристаллизация Все материалы имеют кристаллическое строение. Расстояние между атомами в кристаллах зависят от выбранного направления, а от этого зависят и их свойства: они разные в разных направлениях, т.е. кристаллы по своей природе анизотропны. Реальный металл состоит из множества кристаллов, произвольно ориентированных в пространстве. При таком беспорядочном, случайном расположении кристаллов (Рисунок 2.3) свойства металла (поликристалла) оказываются одинаковыми во всех направлениях и определяются средними значениями, хотя каждое зерно остается анизотропным. Внешне металл ведет себя как изотропное тело. Поэтому такие тела принято называть псевдоизотропными, или квазиизотропными. Рисунок 2.3 - Строение поликристалла Для металлов характерны 3 основных типа решетки (Рисунок 2.4): а) гексагональная плотноупакованная (ГПУ); б) - кубическая гранецентрированная (ГЦК); в) - кубическая объемоцентрированная (ОЦК). Каждому металлу при данной температуре и давлении свойственно определенное строение кристаллической решетки. 12 Простейший механизм пластической деформации монокристалла можно представить как скольжение (сдвиг) атомов относительно друг друга в кристаллической решетке. Причем скольжение атомов происходит не по случайным, а по вполне определенным плоскостям, которые так и называют – плоскостями скольжения. Это плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Для объемно-центрированной решетки ( - Fe, W, Cr, Mo, V и др.) – это диагональная плоскость куба (Рисунок 2.4). У гранецентрированной кубической решетки ( - Fe, Ni, Pb, Cu, Ag, Au и др.) – это октаэдрическая плоскость, проходящая через диагональ грани и противоположную вершину куба и т.д. Рисунок 2.4 - Наиболее плотные кристаллографические плоскости (плоскости скольжения) В поликристаллических телах сдвиговые деформации начинаются в первую очередь в тех зернах, в которых плоскость скольжения расположена под углом 45 о к направлению приложенной силы, где действуют максимальные касательные напряжения. Под воздействием этих зерен происходит поворот соседних зерен, пока их плоскость скольжения тоже повернется под углом 45 к направлению приложенной силы и начнется сдвиг и т.д. (Рисунок 2.5, Рисунок 2.6). Пластическая деформация развивается лавинообразно путем образования новых и новых плоскостей скольжения. Рисунок 2.5 - Схема механизма скольжения: а – до скольжения; б – после скольжений 13 Рисунок 2.6 - Микроструктура стали. Видны линии скольжения в виде параллельных линий х100. В процессе пластической деформации зерна не только изменяют форму и размеры (Рисунок 2.7), но и взаимное пространственное расположение, вытягиваясь в направлении прокатки. Это приводит к образованию строчечной структуры, или так называемой текстуры (Рисунок 2.8). Рисунок 2.7 - Изменение структуры металла при прокатке Рисунок 2.8 - Образование текстуры Образование текстуры характерно для прокатки в холодном состоянии и приводит к различию свойств металла в различных направлениях. Такое различие свойств называется анизотропией. Она выражена тем больше, чем больше степень пластической деформации. При этом увеличиваются твердость и прочность металла, снижается его 14 относительное удлинение и поперечное сужение, т.е. увеличиваются прочностные и снижаются пластические свойства металла. Такое изменение свойств в процессе пластической деформации называется упрочнением (наклепом, нагартовкой) металла. Развитие наклепа металла под действием обработки давлением характеризуется диаграммами наклепа (Рисунок 2.9). Из диаграмм, можно заключить, что упрочнение металла при холодной обработке протекает особенно интенсивно в первых ее стадиях. После же достижения примерно двух-, трехкратной вытяжки (50—67% деформации) интенсивность уже заметно снижена, причем металл имеет ярко выраженную волокнистую структуру. Рисунок 2.9 - Диаграмма наклепа металла при холодной обработке давлением Ввиду того, что по мере обработки металл утрачивает пластические свойства, после известного обжатия дальнейшая обработка делается невыгодной или невозможной. Чтобы получить возможность дальнейшей обработки такого металла, необходима его рекристаллизация, дающая обратное изменение свойств металла: повышение пластичности и падение жесткости. При нагреве холоднодеформированного металла до температур 500-600оС прочностные свойства за счет снятия внутренних напряжений снижаются, а пластические – увеличиваются. Такое восстановление свойств металла при нагреве без структурных изменений называется возвратом, или отдыхом. При нагреве металла до более высоких температур происходит так называемая рекристаллизация структуры: вытянутые зерна дробятся, округляются, объединяются в более крупные. Это приводит к резкому падению прочностных и росту пластических свойств металла. Рекристаллизация металла по своему действию обратная по отношению к холодной деформации. При горячей деформации процессы наклепа и рекристаллизации протекают одновременно, т.к. горячая деформация осуществляется при температурах, выше температуры рекристаллизации металла. Таким образом, границей между холодной и горячей деформацией является температура рекристаллизации металла. Если температура прокатки выше температуры 15 рекристаллизации данного металла, имеет место горячая прокатка, в противном случае – холодная. По этой причине прокатка, например, свинца при комнатной температуре считается горячей, т.к. при этой температуре происходит его рекристаллизация. Поэтому свинец очень часто используют в качестве модельного металла при изучении различных видов ОМД. 2.3. Некоторые законы пластической деформации 2.3.1. Закон постоянства объема Он гласит: в процессе пластической деформации изменяется форма и размеры тела, а объем остается постоянным. В символах закон записывают так – Н×В×L = h×b×l , где символы обозначают высоту, ширину и длину деформируемого тела до и после деформирования, соответственно. Этот закон имеет некоторые исключения. При горячей деформации литого металла происходит его уплотнение в первых проходах за счет пористости. Так, плотность кипящей стали составляет 6,3 г/см3, спокойной – до 7,0 г/см3, а деформированной – 7,85 г/см3. При холодной прокатке, наоборот, происходит некоторое разуплотнение металла, но оно составляет всего 0,1-0,2 % и им пренебрегают. С другой стороны, если наклепанный в результате холодной обработки металл подвергнуть рекристаллизации, то его удельный вес вновь восстанавливается. Поскольку, кроме случаев уплотнения литого металла (при наличии в нем ощутимой рыхлости, газовых пузырей и пр.), удельный вес изменяется очень мало, допускают, что объем металла при обработке давлением остается постоянным, в соответствии с формулой (2.5) V1 = V2. (2.5) Уравнение (2.5) постоянства объема широко используется в расчетах изменения формы тел при всех процессах обработки металлов давлением. Если по начальным размерам тела необходимо найти его конечные размеры или, наоборот, по конечным размерам требуется найти его начальные размеры, то уравнение постоянства объема применяется самостоятельно или входит в общую систему уравнений, необходимых для решения поставленных задач. Исходя из уравнения (2.5), в зависимости от формы обрабатываемого тела (Рисунок 2.10) будем иметь следующие равенства: − для прямоугольного сечения (лист, полоса, заготовка) Н×В1×L1 =h×B2×L2; (2.6) − для круглого сечения (пруток, проволока)  D12 L1   D22 4 − для кольцевого сечения (труба): 4 16 L2 ; (2.7)   D2  d 2    D2  d 2  1 1 2  2 L ;    L1     4  4 4  4  2   или  D1  d1  D1  d1  L1   D2  d2  D2  d2  L2 . (2.8) (2.9) Рисунок 2.10 - Размеры тел различной правильной .формы до и после деформации Очень важной величиной при прокатке, волочении, прессовании через очко и в ряде случаев ковки-штамповки является вытяжка (λ) характеризующая продольную деформацию металла, которая определяется по формуле: L  1; (2.10) L2 − для прямоугольного сечения  L1 HB1 1   ; L2 hB2 2 (2.11) − для круглого сечения 2 L1  D12 / 4 1  D1       ; L2  D22 / 4 2  D2  17 (2.12) − для кольцевого сечения L1 1 ( D12 / 4   d12 / 4) ( D1  d1 )( D1  d1 ) .     2 2 L2 2 ( D2 / 4   d2 / 4) ( D2  d2 )( D2  d2 ) Рассматривая кольцевое сечение трубы, замечаем, что величина (2.13)  (D  d ) 2 есть Dd толщина стенки трубы. Таким образом, 2 вытяжка трубы может вызываться и сокращением сечения трубы по диаметру н уменьшением толщины стенки трубы. В обработке металлов давлением часто пользуются относительной деформацией ε, рассчитываемой по формуле: x x (2.14)   к н  100% , xн средняя окружность этого сечения, а где ε– относительная деформация по оси х. При малых значениях (менее10 %) ε ≈ е, поэтому закон постоянства объема можно записать следующим образом: 1   2   3  0 . (2.15) На основании этого закона рассчитывают все технологические процессы обработки металлов давлением. 2.3.2. Закон наименьшего сопротивления В соответствии с этим законом каждая частица свободно деформируемого тела перемещается по пути наименьшего сопротивления своему перемещению. Таким путем является кратчайший путь, проходящий через частицу к периметру сечения, т.е. по перпендикуляру к нему. Например, при осадке цилиндрического образца движение частиц будет происходить по радиусу, и в конечном итоге исходная форма круга сохраняется. При осадке образца с квадратным основанием (Рисунок 2.11) частицы будут перемещаться по перпендикуляру к поверхности. Таким образом, его основание диагоналями будет поделено на поля истечения. В результате в конечном итоге квадратное основание превратится в круглое, т.е. тело стремится к уменьшению периметра при той же площади основания. Поэтому этот закон еще называют законом наименьшего периметра. 18 Рисунок 2.11 - Схема осадки образца с квадратным основанием В обоих рассматриваемых случаях контактного трения во всех направлениях предполагаются идентичные условия 2.3.3. Закон подобия Закон подобия. При осуществлении в одинаковых условиях одних и тех же процессов пластического деформирования геометрически подобных тел из одинакового материала отношение усилий деформирования равно квадрату, а отношение затрачиваемых работ - кубу отношений соответствующих линейных размеров. Проиллюстрируем закон следующим примером. Даны два прямоугольных параллелепипеда с размерами ребер, соответственно, а1, b1, с1 и а2, b2, с2. Если a1 b1 c1    m, (2.6) a2 b2 c2 то P1 ab  1 1  m2 , P2 a2 b2 A1 abc  1 1 1  m3 . A2 a2 b2 c2 (2.7) (2.8) где т - масштаб моделирования; P1, Р2 и А1, А2 - соответственно, усилия и работа, затрачиваемые на деформирование первого и второго тела. 19 Согласно этому закону, зная усилие и работу деформации, затрачиваемые на деформирование модели, и масштаб моделирования, можно вычислить усилие и работу деформации, требуемые на деформирование натуральной заготовки. При расчете реальных процессов, включающих мною факторов, в этот закон вводят поправочные коэффициенты. 2.3.4. Внешнее трение Закономерности формоизменения металлов обусловлены не только свойствами самих металлов, но и внешними факторами, возникновение которых является результатом взаимодействия обрабатываемого металла с деформирующей средой. Один из таких факторов – внешнее трение. В обработке металлов давлением происходит перемещение деформируемого металла относительно инструмента. При этом возникают силы, препятствующие перемещению – силы трения. Такое трение называют контактным. Трение между металлом и инструментом вызывает: − высокие удельные давления на поверхности контакта (иногда более 2500 МПа); − высокую температуру, которая способствует изменению физикохимического состояния металла, в частности, образованию окислов, окалины и т. д.; − постоянное обновление контактных поверхностей, происходящее благодаря выходу на поверхность глубинных частиц металла, в отличие от истирания; − изменение схемы напряженного состояния, а значит, и пластичности металла и его сопротивления деформированию. В большинстве своем трение, несмотря на отрицательное воздействие при обработке давлением, в отдельных его видах (например, при прокатке) является необходимым условием протекания процесса. Виды трения. В обработке металлов давлением различают три основных вида трения: сухое, граничное и жидкостное. При сухом трении поверхности трущихся тел свободны от третьих веществ (смазки, окислов и т.д.), т.е. происходит взаимодействие чистых металлических поверхностей. В чистом виде такой вид трения при обработке давлением не встречается, поэтому в широкой практике сухим трением называют трение несмазанных тел. Так, горячую прокатку проводят без смазки, поэтому трение при горячей прокатке условно называют сухим. Граничное трение характеризуется наличием на поверхности трущихся тел адсорбированных веществ, существенно отличающихся свойствами от материалов инструмента и обрабатываемого тела. При этом имеет место механическое зацепление шероховатостей поверхностей контакта. Этот вид трения реализуется при использовании смазок, которые содержат поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся на трущихся поверхностях с образованием прочных пленок. Такие пленки способны выдерживать высокие нагрузки и оказывают малое сопротивление сдвигу этих поверхностей. Однако толщина смазки так мала, что шероховатости изделия и инструмента находятся во взаимном зацеплении. 20 При жидкостном трении между трущимися поверхностями имеется слой смазки, выводящий из механического зацепления шероховатости этих поверхностей. Поэтому жидкостное трение – это внутреннее трение в объеме смазки. Оно нашло применение, например, при волочении проволоки. Ведутся работы по реализации этого вида трения и в других видах обработки металлов давлением. Термин «жидкостное трение» условен, так как смазка может быть консистентной и даже твердой, например, парафин. Главное, чтобы не происходило соприкосновения трущихся поверхностей, а сопротивление деформации самой смазки было во много раз меньше сопротивления деформации обрабатываемого металла. Отличительная особенность жидкостного трения – давление в слое смазки. Оно должно быть таким, чтобы могло перевести обрабатываемый металл в пластическое состояние. В этом случае смазка не будет выдавливаться из промежутка между трущимися поверхностями, а деформация изделия инструментом будет осуществляться через слой смазки. Приведенная классификация условна. На практике чаще всего встречается промежуточный режим – полусухое трение. При сухом трении между поверхностями трущихся тел может попасть третье вещество, что не отвечает условиям сухого трения. Но даже при обильной смазке вероятно выдавливание смазывающей пленки и ее разрушение, а следовательно, возникновение участков контактирующих поверхностей. Полусухое трение можно представить как трение с очень малым количеством смазки, не создающим сплошного слоя адсорбированных молекул. 2.3.5. Законы трения На напряжение трения оказывают влияние многие факторы: состояние поверхностей инструмента и деформируемого тела, величина давления, скорость и температура деформации, наличие смазки, способ ее подачи и др. Все это объясняет сложность зависимости напряжения трения от перечисленных факторов. Практически используют два упрощенных закона трения. Согласно закону Амонтона-Кулона, сила трения Т пропорциональна нормальному давлению Р на поверхности контактирующих тел и рассчитывается в соответствии с формулой: Т = f ⋅ Р, (2.9) где f – коэффициент трения. При переходе к элементарной площадке закон трансформируется и имеет вид, представленный формулой: τ=f⋅p, (2.10) где τ – удельное трение, или напряжение трения; p – нормальное контактное напряжение. При этом τ может достигать предела текучести материала при сдвиге. Этот закон обычно используют при холодной обработке давлением. В случае горячей обработки давлением лучше пользоваться законом Зибеля, представленным формулой: τ = f ⋅ σs, (2.11) 21 где σs – предел текучести материала, зависящий от температуры. Коэффициент трения при обработке металлов давлением обычно меняется от 0,1 до 0,5. При использовании смазки он может снижаться до 0,03. Знание основных положений теории пластичности поможет при изучении конкретных видов обработки металлов давлением. 2.4. Напряженное и деформированное состояние металла 2.4.1. Напряженное состояние в точке тела Пластическое деформирование для придания необходимой формы обрабатываемому изделию осуществляется приложением к нему внешних сил с помощью механизма или устройства. Внешние силы вызывают появление в теле внутренних сил, уравновешивающих действие первых. Интенсивность внутренних сил называют напряжением. Очевидно, что напряжение σ на площадке, выделенной внутри или на поверхности тела, можно выразить формулой: P , (2.12)   lim F  0 F где ΔF – элементарная площадка; ΔР – результирующая внутренних сил, действующих на площадке. При изучении напряженного состояния принимают, что тело однородно, изотропно и представляет собой систему непрерывных материальных точек, каждая из которых в напряженном теле находится под действием всех ее окружающих точек. Поэтому в любой плоскости, проведенной через данную точку, на нее будет действовать напряжение, характеризуемое определенной величиной и направлением. В напряженном теле возьмем точку А и проведем через нее три плоскости, параллельные плоскостям координат. Для того чтобы иметь возможность обозначить на чертеже напряжения, действующие на точку в этих плоскостях, построим параллелепипед, ребра которого примем бесконечно малыми, неограниченно приближающимися к точке. Тогда на гранях такого элементарного параллелепипеда, проходящих через точку А, можно изобразить векторы напряжений, действующих на точку в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом напряжение на каждой площадке разложим на три: одно нормальное и два касательных, которые направим параллельно осям координат. Таким образом, всего получим три нормальных и шесть касательных напряжений (Рисунок 2.12). 22 Рисунок 2.12 - Напряженное состояние в точке тела:  xx ,  yy ,  zz – нормальные напряжения;  xy ,  xz ,  yx ,  yz ,  zx ,  zy – касательные напряжения Для касательного напряжения первый индекс – это координатная ось, вдоль которой оно действует, а второй – координатная ось, перпендикулярная площадке, к которой приложено напряжение. Нормальные напряжения принято считать положительными, если они стремятся вызвать растяжение тела, и отрицательными – если сжатие. Удобнее всего записывать напряжения по трем координатным плоскостям в виде матрицы, в которой каждая строка представляет напряжения одного направления в последовательности адресов x, y, z ; а каждый столбец – напряжения одного адреса в последовательности направлений x, y, z :   xx  xy  xz    yy  yz  .  yx    zx  zy  zz  Вследствие парности касательных напряжений в этой матрице только шесть неизвестных, так как  xy   yx ,  xz   zx ,  yz   zy . Поэтому считается, что если заданы напряжения в трех взаимно перпендикулярных площадках (известны 6 компонент матрицы), то напряженное состояние точки определено. Матричное описание означает: что напряженное состояние – это тензорная величина, в отличие от скалярной (определяемой числом) и векторной (определяемой числом и направлением). Геометрический смысл тензора напряжений – поверхность второго порядка. С тензорами производят различные математические действия, изучаемые в тензорном анализе. Важное следствие: по тензору напряжений определяют напряжение на любой площадке, наклонной относительно осей координат. Для этого нужно знать ее положение относительно осей координат, которое задается косинусами углов между нормалью к ней и координатными осями. Через точку, находящуюся в напряженном состоянии, всегда можно провести такие три взаимно перпендикулярные плоскости, в которых касательных напряжений не будет. При этом полученные три нормальных напряжения будут называться главными нормальными напряжениями, а плоскости, на которые они действуют, – главными плоскостями. Таким образом, если оси координат выбраны параллельно главным направлениям, то в соответствующих координатных плоскостях 23 будут действовать только главные нормальные напряжения. В этом случае напряженное состояние будет определено, если даны направления трех главных осей и величины трех главных нормальных напряжений, обозначаемых обычно σ1, σ2, σ3. Тензор напряжения будет иметь диагональный вид, представленный формулой:  1 0 0  (2.13) T   0  2 0  . 0 0   3  Принято, что σ1 ≥ σ2 ≥ σ3. Главные касательные напряжения – это максимальные касательные напряжения. Их можно выразить через главные напряжения по формуле: 1 (2.14) 12   1   2  . 2 Аналогично рассчитываются  23 и  31 . При этом: 12   23   31  0 . (2.15) Главные касательные напряжения возникают в площадках, перпендикулярных одной из координатных плоскостей и составляющих углы 45о с каждой из двух других, или в площадках, проходящих через одну координатную ось и делящих угол между двумя другими пополам. Если выделить в напряженном теле кубик со сколь угодно малыми гранями, перпендикулярными к главным направлениям, то грани кубика будут главными площадками. При уменьшении размеров кубика он превратится в точку и напряжения на его гранях станут напряжениями в точке. Графическое представление о наличии и знаке главных нормальных напряжений в точке называется схемой напряженного состояния. В ряде случаев можно принять, что схема главных напряжений одинакова для всех точек и характеризует напряженное состояние деформируемого тела. Всего имеется 9 схем напряженного состояния: 2 линейных; 3 плоских и 4 объемных (Рисунок 2.13). Рисунок 2.13 - Схемы напряженного состояния: а, б - линейные; в-д – плоские; е-и - объемные. Линейные схемы напряженного состояния, соответствующие одноосному растяжению (сжатию), в обработке давлением практически не встречаются из-за действия сил трения. Плоское напряженное состояние (рисунок 2.13, в–д) возникает в таких видах листовой штамповки, как гибка, отбортовка и т.д.. Чаще всего в обработке давлением 24 реализуется объемное напряженное состояние. При равномерном всестороннем растяжении (рисунок 2.13, и) пластическая деформация невозможна из-за хрупкого разрушения. При всестороннем равномерном сжатии деформация не происходит из-за отсутствия сдвигающего напряжения. Пластическая деформация возможна при всестороннем неравномерном сжатии (рисунок 2.13, е) или при совмещении сжатия и растяжения (рисунок 2.13, ж, з). Из двух последних схем благоприятнее для проявления пластических свойств та, в которой преобладают сжимающие напряжения (рисунок 2.13, ж). Большинство процессов обработки металлов давлением (прокатка, прессование, ковка и объемная штамповка) протекают в условиях всестороннего неравномерного сжатия. При этом сжимающие напряжения препятствуют нарушению межкристаллитных связей, способствуют развитию внутрикристаллических сдвигов и повышению пластичности металлов. 2.4.2. Деформированное состояние в точке тела Деформация любого тела определяется изменением формы и размеров его элементарного объема. Чаще всего в технологических расчетах принимают, что объем металла при обработке давлением не изменяется. По аналогии с напряженным состоянием деформированное состояние точки описывает тензор деформации Тε:   xx  xy  xz       yx yy yz    zx  zy  zz  где  xx ,  yy ,  zz – относительные удлинения но осям x,y,z;  xy   yx ;  yz   zy ;  zx   xz − компоненты тензора, характеризующие сдвиговые деформации. По условию постоянства объема  xx   yy   zz  0 . (2.16) В любой точке деформируемого тела можно обнаружить такие три взаимно перпендикулярные оси, в системе которых отсутствуют сдвиговые деформации. Они и называются главными осями деформированного состояния. Относительные удлинения вдоль этих осей также называют главными и обозначают ε1, ε2, ε3. Тензор деформации в главных осях имеет следующий вид: В свою очередь, из условия (2.26) вытекает условие постоянства объема (2.27) для главных осей деформации: 1   2   3  0 . (2.17) Из-за ограничения, накладываемого выражением (2.27), существует только три схемы деформированного состояния (Рисунок 2.14). При этом деформации, направленные на увеличение первоначального размера, считают положительными, а на уменьшение – отрицательными. 25 Рисунок 2.14 - Схемы деформированного состояния: а - плоская; б, в-объемные Уменьшение одного размера тела ведет к увеличению двух других (рисунок 2.14, б). Так осуществляется деформация при осадке и прокатке. Наиболее рациональной (для производительности процесса обработки давлением) является третья схема (рисунок 2.14, в): размеры тела уменьшаются по двум направлениям, а увеличиваются в третьем, т.е. длина увеличивается максимально. По этой схеме происходят процессы прессования, волочения и некоторые виды прокатки труб. Плоская схема деформации (рисунок 2.14, а) встречается при прокатке широкого листа, когда его ширина в процессе прокатки практически не меняется. 2.4.3. Условие пластичности Для практических расчетов необходимо знать минимальное усилие, которое обеспечивает пластическое изменение формы тела. В условиях линейной схемы напряженного состояния пластическая деформация начинается при достижении нормальным напряжением предела текучести  T : 1   T . (2.18) В условиях сложной схемы напряженного состояния, когда в деформируемом теле действуют все три главных нормальных напряжения, переход тела в пластическое состояние описать сложнее. Совокупность соотношений главных напряжений σ1, σ2, σ3 представляет собой поверхность, называемую предельной поверхностью пластичности, которую описывает следующее равенство: f (1 ,  2 ,  3 )  0 . (2.19) Определение этой функции для сложной системы напряженного состояния вызывает трудности, поэтому в целях упрощения используют гипотезы предельного состояния, две из которых получили наиболее широкое применение. Условие постоянства максимальных касательных напряжений. Пластическая деформация в данной точке тела возникает независимо от схемы напряженного состояния, если наибольшее касательное напряжение в рассматриваемой точке достигло предельной величины, характерной для данного материала: 1   3   T . (2.20) Эта теория применима только для плоского напряженного состояния, так как не учитывает среднего по величине напряжения σ2. Энергетическое условие пластичности. Пластическая деформация в любой точке тела возникает и поддерживается в том случае, если интенсивность напряжений достигает 26 предела текучести. Интенсивность напряжений σi есть некоторая характеристика напряженного состояния и не является напряжением, действующим на какой-либо площадке: 1 (2.21) i  1   2 2   2   3 2   3  1 2 . 2 Условие пластичности записывается следующим образом: 1   2 2   2   3 2   3  1 2  2T2 . (2.22) Физический смысл условия пластичности состоит в том, что пластическая деформация возникает тогда, когда удельная потенциальная энергия упругой деформации формы элемента достигает определенного значения независимо от схемы напряженного состояния. В теории пластичности доказано, что соотношения между главными напряжениями и главными относительными пластическими деформациями можно выразить следующими уравнениями:   3  1  (2.23) 1   1  2 , E' 2  2    1  1  , 2  3  E' 2  (2.24)   2 1  3  1  E' 2  (2.25) ,  где Е′ – модуль пластичности, зависящий от материала, температуры, скорости деформации и упрочнения. Академик С.И. Губкин ввел понятие механической схемы деформации – совокупности схемы главных напряжений и схемы главных деформаций. Так как схем главных напряжений 9, а схем главных деформаций 3, то математически возможны 9·3 = 27 сочетаний. Четыре сочетания не имеют физического смысла: при линейном сжатии невозможна деформация по схемам рисунка 2.11, а, в; при линейном растяжении невозможна деформация по схемам рисунка 2.11, а, б. Таким образом, реальны 23 механические схемы деформации. 3  2.5. Основные факторы, влияющие на пластичность металлов Все процессы обработки металлов давлением основаны на свойстве металлов под действием приложенной нагрузки переходить в пластическое состояние. Поэтому для наиболее рационального выбора технологического процесса необходимо знать факторы, с помощью которых можно управлять пластичностью. Пластичность – способность металла под действием нагрузки менять свою форму без разрушения и сохранять ее после снятия нагрузки. Основными факторами, влияющими на пластичность металлов при обработке давлением, являются : − состав и структура деформируемого металла; − характер напряженного состояния при деформации; − неравномерность деформации; 27 − скорость деформации; − температура деформации; − степень деформации; − режим термической обработки. Рассмотрим влияние каждого из перечисленных факторов. 2.5.1. Состав и структура деформируемого металла Обычно чем чище металл, тем выше его пластичность. Однако в чистом виде металлы почти не используются для получения изделий из-за невысоких прочностных свойств. У сплавов наибольшую пластичность имеют твердые растворы. В сталях, например, резко снижают пластичность такие примеси, как Sn, Pb, Sb, S, P, H2, O2 и др. Они почти не растворяются в железе, располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними. Кроме того, температуры плавления этих элементов и их эвтектических соединений с железом относительно низкие. Поэтому при горячей деформации содержание указанных примесей выше допустимых пределов из-за расплавления может привести к полной потере пластичности стали. Снижает пластичность неоднородная структура. При одинаковом химическом составе однофазный сплав пластичнее двухфазного: в двухфазном сплаве фазы имеют разные механические свойства и деформация протекает неравномерно. Мелкозернистый материал пластичнее крупнозернистого, а деформированная заготовка пластичнее слитка, так как литая структура последнего более грубая, неоднородная по химическому составу, имеет включения и другие дефекты. 2.5.2. Схема напряженного состояния при деформации Установлено, что одно и то же вещество, в зависимости от условий деформирования, может переходить из хрупкого состояния в пластичное, и наоборот. Поэтому правильнее считать, что в природе не существует тел с неизменными свойствами, а есть хрупкое и пластичное состояния вещества, определяемые условиями нагружения при деформировании. При этом, чем ярче выражены сжимающие силы, тем выше пластичность обрабатываемого материала. Наибольшую пластичность металлические материалы проявляют при всестороннем сжатии. В этом случае затрудняются межзеренные перемещения и вся деформация осуществляется за счет внутризеренного перемещения дислокаций. С появлением в схеме растягивающих напряжений пластичность уменьшается. Самую низкую пластичность металлы имеют при всестороннем растяжении. В реальных процессах обработки давлением такая схема практически не встречается. 2.5.3. Неравномерность деформации Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение напряжений и деформаций в обрабатываемом теле, считают неоднородность физических свойств 28 обрабатываемого материала, контактное трение, исходные формы тела и рабочего инструмента. В условиях неравномерной деформации отдельные элементы тела получают различное изменение размеров. Поскольку обрабатываемое тело принимается сплошным, то те участки, которые получают большую деформацию, оказывают определенное воздействие на участки с меньшей деформацией, и наоборот. В результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные напряжения, которые не определяются схемой напряженного состояния, вызываемого непосредственно воздействием внешних сил. Дополнительные напряжения могут при определенных условиях обработки изменять схему напряженного состояния деформируемого тела. Поэтому возможно появление в некоторых участках тела растягивающих напряжений, что может привести к разрушению, хотя при этом общая схема напряженного состояния выражается всесторонним сжатием. Взаимно уравновешенные в пределах деформируемого тела дополнительные напряжения могут быть трех видов: напряжения первого рода (зональные), уравновешивающиеся между отдельными зонами или частями тела; напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами данного тела; напряжения третьего рода, уравновешивающиеся в одном зерне. Примером неравномерности деформации может служить бочкообразование при осадке, обусловленное трением между инструментом и образцом. 2.5.4. Скорость деформации В обработке металлов давлением различают две скорости: скорость деформирования, или скорость перемещения рабочего органа машины (бабы молота, ползуна пресса и т.д.), и скорость деформации ω, или изменение степени деформации ε в единицу времени, с–1: d . (2.26)  dt В обработке металлов давлением диапазон скоростей деформации меняется от 10–2 до 105 с–1. Эта величина правильнее отражает влияние скорости на пластичность. В первом приближении, чем больше скорость, тем ниже пластичность. Однако при этом следует учитывать разогрев металла из-за тепла, выделяемого при деформации. Причем интенсивность разогрева тем выше, чем выше скорость деформации. Поэтому при холодной обработке малые скорости деформации слабо влияют на пластичность. Высокие скорости обеспечивают нагрев деформируемого тела, что способствует развитию диффузионных процессов и разупрочнению, а следовательно, некоторому повышению пластичности металла. При горячей обработке скорость деформации слабее влияет на пластичность, чем при холодной, так как высокая температура способствует протеканию процессов разупрочнения за счет ускорения диффузионной подвижности атомов. 29 2.5.5. Температура деформации При температурах обработки, близких к абсолютному нулю, металл имеет минимальную пластичность из-за низкой тепловой подвижности атомов. Однако при температурах, близких к температуре плавления металла, возможны перегрев или пережог. Наибольшую пластичность металлы имеют в интервале от температуры рекристаллизации до температуры плавления, но верхний предел должен быть ниже температуры окисления границ зерен. Важным параметром структуры в изделии, полученном деформированием при температуре выше температуры рекристаллизации, является размер зерна, который сильно влияет на механические свойства изделий. Зависимость размера зерна в металлах после деформации с последующей рекристаллизацией, с одной стороны, от температуры, а с другой – от степени деформации обычно представляется объемными диаграммами рекристаллизации, которые строят по результатам специально проводимых экспериментов. Эти диаграммы характерны для каждого металла и сплава и используются для выбора температурного режима деформации. 2.5.6. Степень деформации Совокупность явлений, связанных с изменением свойств металлов в процессе пластической деформации, называется деформационным упрочнением или наклепом. При холодной обработке давлением с увеличением степени деформации возрастает плотность дислокаций, затрудняется их перемещение, блокируются источники дислокаций, и пластичность падает. Горячая обработка влияет на пластичность слабее, так как при повышении температуры активизируются диффузионные процессы, сопровождающиеся возвратом или рекристаллизацией, приводящими к частичному или полному восстановлению пластичности. 2.5.7. Режим термической обработки Для получения конкретных изделий обработкой давлением требуется определенная степень деформации. Чаще всего достижение такой степени деформации за одну операцию (один проход при прокатке, одна операция вытяжки при листовой штамповке и т.д.) трудноосуществимо или невозможно. Поэтому технологический процесс обычно включает несколько операций. Для частичного или полного восстановления пластичности после операции обработки давлением используют промежуточную термообработку. Это может быть отжиг: дорекристаллизационный или рекристаллизационный. Для некоторых алюминиевых сплавов применяют закалку. Вид термообработки, ее режим выбирают в зависимости от марки сплава, степени деформации, температуры деформации и т.д. 30 3. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРОКАТКИ 3.1. Определение процесса прокатки. Продольная прокатка Прокаткой называется процесс деформации металла путем обжатия исходной заготовки между вращающимися валками с целью уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы. Прокатка – это один из наиболее распространенных видов обработки металлов давлением, которому подвергается приблизительно 80 % выплавляемого в нашей стране металла. Широкое применение прокатки объясняется рядом ее преимуществ по сравнению с другими видами обработки давлением (прессованием, волочением), а также высокой производительностью этого процесса и меньшей стоимостью получаемых изделий. Прокатка является эффективным инструментом для формирования структуры, обеспечивающей повышение эксплуатационных свойств изделий. Поэтому существует много схем термомеханической обработки, включающих прокатку. В настоящее время широко внедряется совмещение обработки давлением с литейным производством. Примером может служить высокопроизводительный способ непрерывного литья и прокатки стали и сплавов. Различают три основных вида прокатки: – продольная; – поперечная; – поперечно-винтовая (косая). При продольной прокатке (Рисунок 3.1), являющейся наиболее распространенной, заготовка (2) деформируется между вращающимися в разные стороны валками (1), зазор между которыми меньше, чем исходная толщина заготовки. Процесс прокатки считают простым, или симметричным, если его осуществляют в гладких некалиброванных валках с параллельными осями, расположенными в одной плоскости. Оба валка являются приводными, имеют равные диаметры и вращаются в разные стороны с одной окружной скоростью. Состояние поверхности обоих валков одинаковое, т.е. одинаковы коэффициенты и силы трения на них. Наконец, предполагается, что прокатке подвергают полосу прямоугольного сечения с однородными физико-механическими свойствами по всему объему и на нее действуют силы только со стороны валков. 31 Рисунок 3.1 - Схема процесса продольной прокатки 3.2. Геометрия очага деформации при прокатке При продольной прокатке одновременно пластической деформации подвергается не весь объем обрабатываемого металла, а только его небольшая часть, находящаяся вблизи валков. Поэтому объем прокатываемого металла, заключенный между плоскостью входа АА1 металла в валки и плоскостью выхода ВВ1 металла из валков, называется геометрическим очагом деформации (Рисунок 3.2). Дуга АВ, по которой деформируемый металл контактирует с валками, называется дугой захвата, а центральный угол α, соответствующий дуге захвата, – углом захвата. Проекция очага деформации на горизонтальную ось – это длина очага деформации l. При прокатке исходная полоса толщиной Н0 обжимается валками до толщины Н1 на величину абсолютного обжатия: ΔН= Н0 – Н1. (3.1) Рисунок 3.2 - Геометрия очага деформации при прокатке Поскольку действует условие несжимаемости металла, происходит увеличение длины и ширины полосы. Таким образом, форму геометрического очага деформации при 32 прокатке характеризуют углом захвата α, высотами сечения Н0 и Н1, длиной очага деформации l, а также начальной и конечной шириной полосы В0 и В1. Для нахождения α и l используют формулы: H , (3.2) cos   1  D l  RH , (3.3) где R, D – соответственно, радиус и диаметр валков. Зависимости между параметрами очага деформации. 1. Зависимость между длиной очага деформации, обжатием, радиусом валков и углом захвата. Из рис. 3.3 следует: АС2 = ОА2 – ОС2 (3.4) или h 2 h2 . (3.5) )  Rh  2 4 Пренебрегая вторым членом из-за его малости по сравнению с первым, окончательно получим: ld2  R 2  ( R  ld  Rh . (3.6) ld  R  sin   R   . (3.7) Из того же рисунка 2. Зависимость между обжатием, углом захвата и диаметром (радиусом) валков (Рисунок 3.3). СВ = ОВ – ОС (3.8) или h (3.9)  R  R cos  2 откуда (3.10) h  D(1  cos  ) - одна из основополагающих зависимостей теории продольной прокатки. 33 Рисунок 3.3 - Схема очага деформации 3.3. Параметры деформации при прокатке Для оценки величины деформации при прокатке используют такие безразмерные величины, как коэффициенты обжатия η, уширения β, вытяжки λ, определяемые по следующим формулам: 1 H0 , (3.11)   H1  B1 , B0 (3.12)  L1 , L0 (3.13) где L0, L1– длина заготовки, соответственно, до и после прокатки. По закону постоянства объема:     V1  1, V0 (3.14) где V0, V1– объем металла, соответственно, до и после прокатки. Для оценки интенсивности деформации применяют относительное обжатие εН, относительное уширение εB, относительное удлинение εl : H  H1 H H  0  , (3.15) H0 H0 B  B1  B0 B  , B0 B0 34 (3.16) l  L1  L0 L .  L0 L0 (3.17) Уравнения (3.11) – (3.13) и (3.15) – (3.17) связаны между собой следующим образом: H  H H (3.18)  1  0  1 H , H0 H0  B1 B0  B   1 B , B0 B0 (3.19)  L1 L0  L   1 B . L0 L0 (3.20) При малых степенях деформации с большой точностью можно записать:  B  l   H  0 . При больших степенях деформации: H L B ln 1  ln 1  ln 0  0 , L0 B0 H1 (3.21) (3.22) где каждое из слагаемых представляет собой истинную, или логарифмическую, деформацию в соответствующем направлении. В практике чаще всего для характеристики деформации при прокатке используют коэффициент вытяжки λ, показывающий, во сколько раз увеличилась длина заготовки после прокатки, и относительную степень обжатия ε: H  H1 (3.23)  0  100% . H0 Если прокатку осуществляют за несколько проходов, то суммарный коэффициент вытяжки λΣ определяют как произведение коэффициентов вытяжки после каждого прохода: (3.24)   1  2  3 ...n 1  n , где n – число проходов при прокатке. 3.4. Условие захвата металла валками Захват металла вращающимися валками, сопровождающийся изменением размеров прокатываемой полосы, обеспечивается наличием контактного трения между полосой и рабочей поверхностью валков. Условие захвата металла валками обычно рассматривают для двух периодов прокатки: неустановившегося и установившегося. Первый период включает захват полосы валками (или принудительную подачу ее в щель между валками) и заполнение области деформирования до момента образования некоторой длины переднего конца полосы за пределами области деформирования. По 35 мере заполнения щели между валками условия деформирования металла непрерывно изменяются, что дало основание назвать данный период прокатки неустановившимся. Рассмотрим подробнее этот период (Рисунок 3.4) . Рисунок 3.4 - Схема неустановившегося периода прокатки При соприкосновении полосы с вращающимися валками между ними возникает взаимодействие. Валки действуют на полосу нормальной силой N, стремясь оттолкнуть металл, и силой трения Т, втягивающей его в зазор между валками. В свою очередь, полоса давит на валки силой Р и тормозит их вращение силой Т0. Для определения захватывающей способности валков сопоставляют действие сил N и Т в направлении прокатки, т.е. сравнивают горизонтальные проекции этих сил: (3.25) Tx  T  cos  , N x  N  sin  . (3.26) При этом возможны три случая: 1) При Тх > Nх будет происходить захват; 2) При Тх = Nх наблюдается состояние равновесия, т.е. валки будут вращаться, а полоса останется неподвижной (валки «буксуют» по полосе), 3) Наконец, если Tx < Nx, то полоса отбрасывается от валков. С учетом выражений (3.25) и (3.26) условие захвата можно записать следующим образом: T  cos  (3.27) 1 N  sin  или T  tg . (3.28) N 36 Если принять, что трение в рассматриваемом случае подчиняется закону Амонтона-Кулона, т.е.: (3.29) T  N , где μ– коэффициент трения, то будет справедливой запись (3.30)   tg . Так как при малых углах tgα ≈ α, то условие захвата можно преобразовать так:   . (3.31) Если взять равнодействующую сил Т и N, обозначив ее через R (рисунок 3.4), то условие захвата примет вид: (3.32)   , где β– угол трения, образуемый силами N и R. Второй период прокатки начинается с момента выхода переднего конца полосы через сечение выхода, а заканчивается при достижении задним концом сечения выхода. На протяжении всего времени протекания второго периода параметры очага деформации остаются неизменными, поэтому второй период процесса прокатки называют установившимся. Если принять, что в установившемся периоде прокатки нормальные контактные напряжения распределены по длине области деформирования равномерно, то результирующая сила действия валков на металл будет проходить через середину дуги захвата (Рисунок 3.5). Повторяя предыдущие рассуждения, получим условие захват для установившегося периода прокатки: (3.33)   2. Сравнивая выражения (3.32) и (3.33), можно заключить, что в установившемся периоде прокатки захват металла валками, по сравнению с неустановившимся периодом, облегчен вдвое. Обычно чем больше угол захвата, тем больший объем металла деформируется за один проход и тем выше производительность процесса прокатки. Улучшению захвата металла валками способствуют следующие факторы: − повышение коэффициента трения, например, нанесением насечек на валках; − снижение величины обжатия; − увеличение диаметра валков при данном обжатии; − использование вталкивающей силы, направленной на заготовку вдоль оси; − устройство заходного клина (фрезерование переднего конца заготовки под углом) и т.д. Необходимо отметить, что хотя использование смазки затрудняет захват металла, холодную прокатку листов обычно ведут со смазкой для получения высокого качества их поверхности. Углы захвата при холодной прокатке со смазкой составляют3-4о, без смазки– 5–8о. При горячей прокатке на обжимных станах (блюмингах и слябингах) α= 18– 34о. 37 Рисунок 3.5 - Схема установившегося периода прокатки 3.5. Опережение и уширение Установлено, что скорость выхода заготовки из валков Vh всегда больше, а скорость входа заготовки в валки Vн меньше окружной скорости валков Vо. Это явление называется опережением S: V  V0 . (3.34) S h V0 Опережение возрастает с увеличением обжатия, диаметра валков, коэффициента трения и переднего натяжения полосы. Так как при прокатке наблюдается опережение и отставание, следовательно, в очаге деформации есть сечение, в котором скорости движения заготовки и валков равны. Это сечение называют критическим, а центральный угол, соответствующий ему, называют критическим углом (Рисунок 3.6). Рисунок 3.6 - Измерение скорости металла и валков в очаге деформации при прокатке Очаг деформации от входного сечения до критического называют зоной отставания, а от критического сечения до выходного сечения – зоной опережения (Рисунок 3.7). Уширение – это приращение при прокатке ширины прокатываемого изделия. Эта величина возрастает с увеличением обжатия, диаметра валков, коэффициента трения и 38 числа проходов. При прокатке листов уширение мало, и в расчетах им пренебрегают. При прокатке сортового металла, имеющего близкие размеры по ширине и высоте, его необходимо учитывать, так как в противном случае может происходить не заполнение калибра либо заклинивание из-за его переполнения. Рисунок 3.7 - Изменение скоростей валков и полосы в очаге деформации 39 4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОДОЛЬНОЙ ПРОКАТКИ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 4.1. Классификация основной продукции, получаемой продольной прокаткой Металлургические предприятия выпускают разнообразные виды проката, отличающиеся по массе, форме и размерам поперечного сечения (Рисунок 4.1). Прокатные изделия с определенной формой поперечного сечения называются профилем проката. Например, круглый профиль, квадратный профиль. Для более сложных профилей кроме формы в это понятие включают один-два основных размера. Например, полоса шириной 200 мм, равнобокий угольник 75×75 мм. Кроме понятия профиль различают понятие профилеразмер, который кроме одного- двух основных размеров профиля учитывает дополнительные размеры, уточняющие его характеристику. Например, тот же угловой профиль 75×75 мм может иметь различную толщину полок – 5, 6, 7, 8, и 9 мм. С учетом толщины это уже будут профилеразмеры, т.е. профиль один, а профилеразмеров пять. Рисунок 4.1 - Некоторые виды проката: а – прокат общего назначения, б – асонный общего назначения, в – отраслевого назначения Для заготовок, простых профилей (круг, квадрат и т.п.) профиль определяется формой поперечного сечения, а профилеразмер – диаметром или стороной квадрата. Так, круглый профиль один, а профилеразмеров от 5 до 250 мм – более ста. Профиль полосы определяют форма поперечного сечения и его ширина, а профилеразмер – толщина полосы при данной ширине. 40 Для двутавровых балок и швеллеров понятие профиль включает форму поперечного сечения и его высоту, а профилеразмер (или литерный профиль) – разную ширину полок. Совокупность профилей и профилеразмеров прокатных изделий называется сортаментом проката. Он насчитывает тысячи наименований самой разной формы и размеров. И это только размерный сортамент. Но прокатные изделия отличаются еще и марочным (химическим) составом, а их начитывается более 800. В сортаментных стандартах регламентированы форма и размеры поперечного сечения профиля и его отдельных элементов, длина профиля, допускаемые отклонения от номинальных размеров, форма проката (серповидность, плоскостность, волнистость и пр.), масса одного погонного метра и т.д. Для проката, используемого для сооружений со сложными условиями нагружения, дополнительно указывают момент сопротивления, момент и радиус инерции и др. Все эти изделия, перечень которых называется сортаментом, как правило, стандартизованы. Хотя сортамент прокатных изделий обширен, весь прокат можно разбить на четыре основных группы: сортовой, листовой, трубы, специальные виды проката (бандажи, колеса, периодические профили и пр.) 4.1.1. Сортовая сталь Наиболее разнообразным по форме и количеству профилеразмеров является сортамент сортовой стали. Сортовые профили можно использовать и как готовые изделия, и как заготовки для последующей обработка. Их классифицируют по ряду признаков: по размеру, по форме, по назначению. По размерам различают сталь: − крупносортную (диаметр круга  80 мм, двутавровые балки и швеллеры свыше № 16, железнодорожные рельсы и пр.); − среднесортную (диаметр круга 40…80 мм, двутавровые балки и швеллеры до № 16, рудничные рельсы и пр.); − мелкосортную (диаметр круга 10…40 мм и др.); − катанку (диаметр круга 5…9 мм). По форме сортовые профили подразделяют на простые и сложные или фасонные. К простым относятся профили, у которых касательная к любой точке периметра поперечного сечения не пересекает это сечение. Сюда относят прокат круглого, квадратного, шестигранного, прямоугольного сечения, полосовую, штрипсовую сталь и др. Государственными стандартами предусмотрены круглые профили диаметром 5…250 мм, квадратные - со стороной квадрата 5-250 мм, шестигранные с диаметром вписанной окружности 8…100 мм, полосовые шириной 10…200 мм и толщиной 4…60 мм, штрипсовые шириной 65…415 мм и толщиной 2,27…5,0 мм и др. К фасонным профилям относятся уголки, двутавровые балки, швеллеры, шпунты, рельсы и др. профили со сложной формой поперечного сечения. Используют в основном в качестве готовых изделий. 41 Государственными стандартами предусмотрены равнобокие уголки с полками 20…250 мм, неравнобокие – 25/16…250/160 мм, балки двутавровые высотой 100…700 мм и широкополочные высотой до 1100мм, швеллеры высотой 50…400 мм, рельсы железнодорожные массой 38, 43, 50, 65 и 75 кг/п.м, рельсы рудничные массой 8, 11, 15, 18, 24 и 33 кг/п.м и др. По назначению сортовые профили подразделяют на профили: общего назначения, отраслевого назначения и специального назначения. Профили общего назначения используют в самых разных целях, в самых разных отраслях народного хозяйства. Это круги, квадраты, полосы, уголки, балки, швеллеры и пр. К профилям отраслевого назначения относятся профили, специфичные для данной отрасли: рельсы трамвайные, железнодорожные и рудничные, шпунтовые сваи, профили для сельскохозяйственного, транспортного, горного машиностроения. Профили специального назначения предназначены для конкретных изделий, а уже сами эти изделия могут быть использованы в самых разных отраслях. Это, например, круглая или шестигранная пустотелая сталь для изготовления буров, профили трехгранные, овальные и пр. для инструмента (напильников, рашпилей и т.п.), желобчатые профили для рессор транспортных средств и т.д. Следует отметить, что четкой грани между профилями отраслевого и специального назначения нет. Те же железнодорожные рельсы можно рассматривать и как специальный профиль для прокладки пути, а их можно использовать и на транспорте, и в строительстве, и в портовых сооружениях и т.д. 4.1.2. Листовая сталь Листовая сталь является одним из наиболее эффективных видов проката. Изделия, получаемые из листового материала штамповкой или сваркой, значительно дешевле и качественнее, чем, например, литые. По удельному весу и сортаменту листовой стали в объеме прокатной продукции судят не только об уровне металлургии, но и об уровне экономики страны. Горячекатаную листовую сталь различают по толщине, назначению, точности, плоскостности и состоянию кромок. По толщине листовую сталь делят на два вида: тонколистовую толщиной до 4 мм и толстолистовую толщиной 4 мм и более. Кроме того, в сортаменте толстолистовой стали выделяют еще плиты толщиной свыше 50 мм и брамы толщиной свыше 250 мм. По ГОСТ 19903 размеры листовой стали колеблются по толщине от 0,5 до 160 мм и более и по ширине от 500 до 3800 мм и более. Различные отрасли предъявляют к листовой стали свои требования по химическому составу, механическим свойствам, коррозионной стойкости, жаропрочности, магнитной проницаемости и др. специфическим свойствам. В зависимости от этого по назначению различают листовые стали: котельную, судостроительную, мостовую, электротехническую, инструментальную, броневую и пр. По точности горячекатаную листовую сталь делят на высокоточную и нормальной точности. 42 По плоскостности – на полосы особо высокой плоскостности (ПО); высокой плоскостности (ПВ); улучшенной плоскостности (ПУ) и нормальной плоскостности (ПН). По состоянию кромок различают листы с катаными (необрезными) и обрезными кромками. Кроме того, горячекатанная листовая сталь может быть с травленной или нетравленной поверхностью. 4.1.3. Трубы Трубы тоже являются одним из важных видов прокатной продукции. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что в государственных планах и статистической отчетности трубы учитываются отдельной строкой. В общем объеме выпускаемого проката трубы составляют 15-20%, число профилеразмеров – около 18 000. Диапазон диаметров трубчатых профилей достаточно широк – от 0,5 до 2420 мм с толщиной стенки от 0,1 до 75 мм. По способу производства трубы подразделяют на сварные (шовные) и бесшовные. Сварные трубы в свою очередь делят на спиральношовные и прямошовные диаметром от 8 до 2420 мм с толщиной стенки 0,5…32 мм. Спиральношовные трубы более технологичны и экономичны: трубы одного диаметра можно получать из заготовки (полосы) разной ширины и, наоборот, трубы разных диаметров можно получать из полосы одной ширины. Прямошовные трубы большого диаметра (более 1200 мм) вынуждено производят двушовными из-за отсутствия в сортаменте листов нужной ширины. Бесшовные трубы производят путем прокатки или прессования. Прессуют в основном трубы из цветных материалов, а также из труднодеформируемых сплавов. Сортамент бесшовных труб: диаметр 25…665 мм, толщина стенки 2,5…75 мм. Трубы меньших диаметров и толщин получают холодной прокаткой. По назначению трубы подразделяются на газо-, нефте- и водопроводные, насоснокомпрессорные, обсадные, бурильные, шарикоподшипниковые и пр. Кроме привычной круглой формы трубы бывают квадратные, прямоугольные, полукруглые, оребренные и др. специального назначения. 4.1.4. Прочие виды проката К прочим видам проката относят преимущественно специальные профили – сортовые, из листового материала, трубчатые, - которые, как отмечено ранее, предназначены для вполне конкретных изделий, а уже сами изделия могут быть использованы в самых разных отраслях. Это цельнокатанные колеса, бандажи, поворотные круги, периодический прокат (Рисунок 4.2), биметаллы разного назначения, зубчатые колеса, оси, помольные шары и многие другие. Сортамент подобных профилей настолько широк (несколько десятков тысяч), что учесть его практически невозможно. Получают их с использованием всех видов обработки металлов давлением. 43 Рисунок 4.2 - Профили периодического сечения: а - арматурная сталь; б – заготовка для оси автомобиля 4.2. Классификация прокатных станов Прокатным станом называется комплекс машин и агрегатов, предназначенных для осуществления пластической деформации металла в валках (собственно прокатки), дальнейшей его переработки (правки, резки и пр.) и транспортирования. В дальнейшем прокатным станом будем называть оборудование, предназначенное только для деформирования металла. Прокатные станы классифицируются по трем основным признакам: − по назначению или виду выпускаемой продукции; − расположению валков в рабочей клети; − расположению рабочих клетей. 4.2.1. Классификация по назначению или виду выпускаемой продукции. В соответствии с данной классификацией прокатные станы делятся на следующие группы: 1) станы для производства полупродукта в виде заготовок различных размеров и формы, служащих исходным материалом при прокатке различных прокатных изделий; 2) станы для производства готового продукта в виде различных прокатных изделий. К числу станов для производства полупродукта относятся: Блуминги и слябинги — крупные заготовочные станы с валками диаметром 800−1400 мм, предназначенные для прокатки слитков в заготовки крупных размеров и различной формы (блумы, слябы, фасонная заготовка), идущие в основном в качестве 44 полупродукта на крупносортные станы для прокатки сортовой стали, на листопрокатные станы для прокатки листовой стали и на заготовочные станы для прокатки заготовок более мелких разметов. Заготовочные станы с валками диаметром 450−800 мм, предназначенные для дальнейшей прокатки крупных заготовок (блумов) в заготовки мелких размеров, идущих в основном в качестве полупродукта на сортовые и проволочные станы для прокатки сортовой стали и проволоки. К числу станов для производства готового продукта, т. е. различных прокатных изделий, относятся: Рельсобалочные станы с валками диаметром 750−900 мм, предназначенные главным образом для прокатки железнодорожных рельсов, балок высотой от 180 до 600 мм и более, швеллеров высотой от 180 до 460 мм и других крупных профилей. Сортовые станы с валками диаметром 250−750 мм, предназначенные для прокатки сортовой стали: круглой и квадратной от 8 до 150 мм, балок и швеллеров высотой от 50 до 200 мм, угловой от 20×20 до 200×200 мм и др. В зависимости от размеров прокатываемой в этих станах сортовой стали они часто делятся на крупносортные с валками диаметром 500÷750 мм, среднесортные с валками диаметром 350 ÷ 500 мм и мелкосортные с валками диаметром 250÷350 мм. Необходимо отметить, что основной величиной, определяющей размер прокатного стана, предназначенного для прокатки сортового металла, является диаметр валков последних клетей, Проволочные станы с валками диаметром чаще всего 250 мм, предназначенные для прокатки проволоки (катанки) диаметром 6 ÷10 мм. Листопрокатные станы для прокатки листовой стали в горячем состоянии толщиной от 0,25 до 60 мм и более, с длиной бочки валков от 800 до 5000 мм. Листопрокатные станы для прокатки листовой стали в холодном состоянии толщиной от 0,008 до 4 мм, с длиной бочки валков от 300 до 2800 мм. Универсальные станы для прокатки универсальной стали шириной от 200 до 1500 мм и для прокатки широкополочных балок. Трубопрокатные станы для прокатки бесшовных и сварных труб. Бандаже- и колесопрокатные станы, служащие для прокатки железнодорожных бандажей и колес. Станы специального назначения, служащие для прокатки прочих прокатных изделий. За основной параметр сортовых прокатных станов, характеризующий их размер, обычно принимают диаметр валков или шестерен шестеренной клети. Если в стане несколько клетей, то параметром всего стана является размер валков или шестерен последней чистовой клети, например, обозначение «блюминг 1300» указывает на то, что диаметр его валков составляет 1300 мм. Основным параметром листовых станов является длина бочки валка, которая определяет наибольшую ширину прокатываемых на стане листов или полосы. Например, обозначение «широкополосный стан 2500» указывает на то, что длина бочки валков равна 2500 мм, и на них (с учетом запаса) можно прокатывать листы и полосу шириной около 2300 мм. 45 4.2.2. Классификация по конструкции и расположению валков рабочей клети. Согласно данной классификации прокатные станы можно разделить на шесть групп (Рисунок 4.3): двухвалковые, трехвалковые, четырехвалковые, многовалковые, универсальные и клети специальной конструкции. Двухвалковые клети бывают нереверсивные и реверсивные. У первых оба валка приводные и имеют постоянное направление вращения. Обе клети применяются в непрерывных станах, предназначенных, например, для прокатки заготовки, проволоки, тонких полос и т.д. В каждой клети этих станов осуществляется только по одному пропуску металла в одном направлении. Реверсивные клети имеют два приводных валка с переменным направлением вращения, поэтому прокатываемый металл проходит через валки вперед и назад несколько раз. Клети этого типа применяют в блюмингах, слябингах, толстолистовых станах и т.д. Рисунок 4.3 - Рабочие клети с различным расположением валков: 1 - двухвалковая клеть; 2 - трехвалковая клеть сортовая; 3 - трехвалковая клеть Лаута листовая; 4 - универсальная двухвалковая клеть (слябинг); 5 - клеть четырехвалковая листовая нереверсивная; 6 - клеть четырехвалковая реверсивная для прокатки полосы в рулонах; 7 -клеть шестивалковая; 8 - клеть двенадцативалковая; 9 - клеть двенадцативалковая для прокатки тонкой полосы; 10 - клеть универсальная для прокатки двутавровых балок с широкими параллельными полками Трехвалковые клети – нереверсивные. Сортовые клети трио широко применяют, так как на их валках можно расположить больше калибров, чем на валках двухвалковых клетей. Металл движется в одну сторону между нижним и средним валками, а в обратную сторону – между средним и верхним. Листовые трехвалковые клети (клети Лаута) применяют для прокатки толстых и средних листов в виде полос длиной 10 – 20 м. Средний валок неприводной и имеет 46 меньший диаметр. При прокатке он прижимается то к верхнему, то к нижнему валкам и вращается ими за счет сил трения. Оба типа станов снабжаются подъемно-качающимися столами для подачи заготовок между разными парами валков. В рабочей четырехвалковой клети валки расположены один над другим: два рабочих валка меньшего диаметра (средние) и два опорных большего диаметра, назначение которых воспринимать давление при прокатке и уменьшать прогиб рабочих валков. Станы с такими клетями могут быть реверсивными и нереверсивными. Их используют при прокатке тонких и толстых листов и полос, броневых плит, а также рулонов. Холодную прокатку рулонов ведут на непрерывных нереверсивных станах. В этом случае перед клетью устанавливают разматыватель рулонов, а позади моталку, создающую натяжение полосы и наматывающую ее на барабан. При холодной и горячей прокатке рулонов на одноклетевых реверсивных станах моталки устанавливают с обеих сторон клети, и прокатка происходит то в одну, то в другую сторону. Иногда при горячей прокатке моталки устанавливают в печах перед клетью и позади нее. Шестивалковые клети с двумя рабочими и четырьмя опорными валками, ввиду жесткости самой рабочей клети и меньшего прогиба опорных валков, служат для холодной прокатки тонких полос и узких лент в рулонах с точными допусками по толщине. Однако преимущества этого типа клетей по сравнению с четырехвалковыми незначительны, а так как их конструкция сложнее, то широкого распространения они не получили. Двенадцати – и двадцативалковые клети широко применяются в прокатном производстве. Благодаря использованию валков очень малого диаметра (10 – 50 мм) и большой жесткости всей рабочей клети и валковой системы, на этих станах успешно осуществляют рулонную прокатку тонкой и тончайшей ленты толщиной 5 – 100 мкм и шириной 100 – 1500 мм с допуском по толщине 1 – 5 мкм. Рабочие валки неприводные, так как имеют слишком малый диаметр; они опираются на приводные валки большего диаметра, а последние, в свою очередь, – на опорные ролики. Эта схема обеспечивает большую прочность всей валковой системы и практически полное отсутствие прогиба рабочих валков. Клети с горизонтальными и вертикальными валками называются универсальными. Универсальные клети (обычные) применяют главным образом как реверсивные двухвалковые (например, слябинги) или четырехвалковые (например, толстолистовые). На этих клетях обжатие металла осуществляется как горизонтальными, так и вертикальными валками. Последние обеспечивают создание ровных и гладких боковых граней листов и слябов. Вертикальные валки располагают, как правило, у одной стороны рабочей клети. В универсальных балочных клетях, в отличие от обычных, вертикальные валки – неприводные. Эти станы используют для прокатки высоких двутавровых балок с широкими полками. Клети специальной конструкции используют в станах узкого назначения: колесопрокатные, бандажепрокатные, кольцепрокатные, шаропрокатные, станы для прокатки профилей переменного и периодического сечения и др. 47 4.2.3. Классификация прокатных станов по расположению рабочих клетей В зависимости от расположения рабочих клетей прокатные станы разделяют на пять групп: одноклетевые, линейные многоклетевые, последовательные, полунепрерывные, непрерывные (Рисунок 4.4). Одноклетевые станы имеют одну рабочую клеть, и линия привода валков состоит обычно из шпинделей, шестеренной клети, редуктора, муфт и главного электродвигателя. К станам этой группы относят блюминги и слябинги, толстолистовые трех- и четырехвалковые, а также универсальные станы. Рабочие клети линейных станов расположены в одну, две, три и более линий, причем каждая линия работает от отдельного привода или несколько линий – от одного электродвигателя. Станы этого типа нереверсивные; их применяют как проволочные, сортовые, рельсобалочные и толстолистовые. В последовательных станах прокатываемая полоса в каждой клети проходит несколько раз, поэтому число клетей такого стана равно максимальному числу проходов, необходимых для обжатия заготовки сечением F0 в готовый профиль сечением F1. Для сокращения длины цеха и лучшего использования его площади клети обычно располагают в несколько параллельных рядов. Станы данной группы имеют высокую производительность, и их широко применяют для прокатки сортовых профилей. Рисунок 4.4 - Схема расположения и привод рабочих станов: а - одноклетевого; блинейного; в - последовательного: г - полунепрерывного; д - непрерывного; 1-35 - рабочие клети 48 Полунепрерывные станы состоят из двух групп клетей: непрерывной и линейной. В одной группе клетей полоса прокатывается непрерывно, т.е. она может находиться одновременно в двух и более клетях. В другой группе прокатка осуществляется по принципу линейных и последовательных станов. Эти станы применяют для прокатки мелкого сорта, проволоки и полос. При прокатке на непрерывном стане металл находится одновременно в нескольких клетях, поэтому скорость вращения валков в клетях должна регулироваться и подбираться так, чтобы расход металла в единицу времени в любой клети был постоянным в соответствии с (4.1): (4.1) F1V1  F2V2  ...  FnVn  const , где F1, F2, …, Fn – поперечное сечение металла при выходе из первой, второй и последней клети; V1, V2, …, Vn – скорости полосы на выходе из валков этих клетей. Для этого типа станов характерна очень большая производительность. Их применяют как станы заготовочные, широкополосные, мелкосортные, проволочные и станы холодной рулонной прокатки листов и жести. Привод валков этих станов может быть групповым, когда несколько клетей приводятся от одного двигателя, или индивидуальным. 4.3. Общая характеристика оборудования линии рабочей клети Прокатным станом называют комплекс машин и агрегатов, предназначенных для осуществления процесса прокатки металла, дальнейшей его обработки (правки, резки) и транспортирования. Оборудование прокатного стана можно подразделить на две группы – основное, расположенное в рабочей линии стана, и вспомогательное, служащее для транспортирования и отделки прокатываемой полосы. Рабочая линия состоит из рабочей клети и линии привода, включающей в общем случае двигатель, редуктор, шестеренную клеть и соединительные детали (Рисунок 4.5). Число клетей прокатного стана зависит от его назначения и у некоторых станов достигает нескольких десятков. Каждая клеть может иметь свою линию привода. Рисунок 4.5 – Схема рабочей линии прокатного стана: 1 – рабочие валки; 2 – плитовина; 3 – трефовый шпиндель; 4 – универсальный шпиндель; 5 – рабочая клеть; 6 – шестеренная клеть; 7 – муфта; 8 – редуктор; 9 – двигатель 49 Основным рабочим органом (инструментом) каждого прокатного стана являются валки, вращающиеся в подшипниках, установленных в рабочих клетях. Привод валков осуществляется электродвигателем через промежуточные передаточные механизмы и устройства. Оборудование, предназначенное для вращения валков, а также для восприятия возникающих при пластической деформации (обжатии) металла усилий и крутящих моментов, составляет рабочую линию клети (Рисунок 4.5). Оборудование, входящее в рабочую линию, можно разделить на три основных группы: рабочую клеть 5, передаточные механизмы 3, 4, 5–7 и главный электродвигатель 9. Рабочая клеть представляет собой две массивные стальные литые станины, установленные на плитовины 2, прикрепленные к фундаменту анкерными болтами. В станинах смонтированы подушки с подшипниками и валками, а также устройства для перемещения верхнего валка по высоте и его осевой фиксации, направляющие проводки для металла и т.д. Передаточные механизмы и устройства в зависимости от назначения и конструкции прокатного стана могут быть различными. На крупных станах (обжимных, толстолистовых), а также на станах, прокатывающих металл с большой скоростью, применяют индивидуальный привод рабочих валков от отдельных электродвигателей: в этом случае передаточным устройством являются универсальные шпиндели, промежуточные валы и муфты. На остальных станах предусмотрен общий привод рабочих валков от шестеренной клети 6. В этом случае между электродвигателем и рабочей клетью в одну линию расположены моторная муфта, шестеренная клеть 6 и универсальные шпиндели 4. Если угловая скорость вращения электродвигателя не соответствует скорости вращения валков, то в линии привода валков устанавливают редуктор 8 и коренную зубчатую муфту 7. Главный электродвигатель прокатного стана является двигателем специального (металлургического) типа с воздушным охлаждением. Для станов с постоянной скоростью прокатки применяют более экономичные синхронные (реже – асинхронные) электродвигатели. Для станов с регулируемой скоростью прокатки используют двигатели постоянного тока. Шестеренная клеть. Для распределения крутящего момента одного двигателя между несколькими рабочими валками служит шестеренная клеть. Это - редуктор, передаточное отношение которого равно единице, а роль шестерен выполняют шестеренные валки. Соединительные детали, посредством которых крутящий момент передается от шестеренной клети прокатным валкам, называют шпинделями. Концевые части шпинделей (головки) бывают различной формы; наибольшее распространение получили шпиндели с универсальными и трефовыми головками. Двигатель и редуктор. Применяют электродвигатели постоянного и переменного тока синхронные и асинхронные. Двигатели постоянного тока устанавливают на реверсивных станах и станах с широким диапазоном изменения числа оборотов валков, асинхронные двигатели переменного тока применяют, когда для работы прокатного стана не требуется изменение числа оборотов валков в широких пределах. Асинхронные двигатели с регулированием числа оборотов можно также применять аналогично 50 двигателям постоянного тока, а синхронные двигатели переменного тока - на станах с постоянным числом оборотов валков. 4.3.1. Устройство прокатной клети Рабочая клеть всякого прокатного стана (Рисунок 4.6) имеет следующие основные детали: две станины а, подушки б, помещающиеся в просветах станин, валки в, вращающиеся во вкладышах г, которые расположены в подушках. Станины скрепляются между собой траверсами и наглухо крепятся болтами к фундаментным плитам (плитовинам). Конструкция подушек выполняется таким образом, чтобы имелась возможность передвигать их в вертикальном и горизонтальном направлениях, что необходимо для регулировки валков. Существует много методов регулировки валков; некоторые из них описаны ниже. В большинстве случаев установка верхнего валка осуществляется нажимными винтами д, вращающимися вручную или с помощью мотора в гайках, которые помещаются в верхних поперечинах е станин. Для постоянного прижатия валка к нажимным винтам он уравновешивается четырьмя пружинами ж, котооые соединяются с подушками при помощи тяг. Вертикальное перемещение нижнего валка производится нижними клиньями, передвигающимися посредством вращения винтов (Рисунок ), или нижними нажимными винтами. Рисунок 4.6 - Рабочая клеть 51 4.3.1.1 Прокатные валки Валки прокатных станов выполняют основную операцию прокатки – деформацию (обжатие) металла и придание ему требуемой формы поперечного сечения. В процессе деформации металла вращающиеся валки воспринимают давление, возникающее при прокатке, и передают это давление на подшипники. Валки прокатных станов делят на две основные группы (рисунок 4.7): листовые и сортовые. 4.3.1.2 Листовые валки Листовые валки (рисунок 4.7, а) служат для прокатки листов, полос и лент. Бочка этих валков имеет цилиндрическую форму, поэтому иногда эти валки называют гладкими. Бочку валков, предназначенных для горячей прокатки тонких листов, делают немного вогнутой, чтобы при прокатке горячего металла и большом разогреве средней части валков бочка их стала цилиндрической, и тогда толщина прокатанного листа будет равномерной по всей его ширине. Наоборот, бочку валков для холодной прокатки тонких листов выполняют немного выпуклой: при прокатке, вследствие большего изгиба средней части валков по сравнению с краями, бочка станет цилиндрической. 4.3.1.3 Сортовые валки Сортовые валки (Рисунок 4.7, б) служат для прокатки сортового профиля. На поверхности бочки этих валков есть углубления, соответствующие профилю прокатываемого металла. Эти углубления называют ручьями, а валки – ручьевыми. Ручьи двух валков образуют калибры, поэтому валки еще называют калиброванными. Два валка образуют несколько калибров, форма поперечного сечения которых постепенно приближается к требуемому сечению изделия. Прокатку осуществляют последовательным пропусканием заготовки через все калибры. Валок (Рисунок 4.7) состоит из нескольких элементов: бочки (диаметром D и длиной L), которая при прокатке соприкасается с металлом, шеек (диаметром d и длиной l), расположенных с обеих сторон бочки и опирающихся на подшипники валка; концов валка, служащих для соединения валка со шпинделем. Рисунок 4.7 - Прокатные валки: а – листовые, б – сортовые. К качеству валков прокатных станов предъявляются очень высокие требования, так как они определяют нормальную работу стана, его производительность и качество выпускаемого проката. Валки работают в условиях непрерывного истирания их металлом 52 при прокатке, испытывая значительные динамические давления при больших скоростях скольжения по металлу и иногда при высокой, резко меняющейся температуре. Обычные стальные и чугунные валки не всегда удовлетворяют повышенным требованиям, предъявляемым к ним, в связи с чем возникла необходимость применять литые и кованые высокопрочные стальные валки и чугунные валки повышенной прочности. Для станов холодной прокатки целесообразно использовать легированные стальные и чугунные валки, у которых поверхностный слой характеризуется большой твердостью. 4.3.2. Форма калибров По назначению калибры подразделяют на обжимные, черновые, предчистовые и чистовые. Обжимные калибры предназначены для уменьшения площади поперечного сечения исходного слитка, блюма или заготовки с целью получения заготовки, из которой в дальнейшем будет формироваться требуемый профиль. В качестве обжимных обычно используют ящичные калибры. Эти калибры применяют при прокатке на блюмингах и заготовочных станах, а также в первых проходах на сортовых станах. Черновые калибры предназначены для постепенного формирования прокатываемого фасонного профиля (например, двутавровой балки, швеллера и т. д.). На сортовых станах черновые калибры располагаются после обжимных калибров. При прокатке простых сортовых профилей (круг, квадрат, шестигранник) к черновым относят калибры простой формы (см. рис. 4.8, а-е), в которых производится дальнейшее уменьшение площади поперечного сечения раската, причем эти калибры располагаются в такой последовательности, чтобы обеспечить максимальную вытяжку, т. е. используются как вытяжные. Черновые калибры применяются в черновых и промежуточных группах клетей стана. Предчистовые калибры при прокатке фасонных профилей незначительно отличаются по форме и размерам от чистовых калибров. Если же в чистовых двухвалковых калибрах прокатывают профиль простой формы (круг, квадрат), то предчистовой калибр имеет иную форму: например, овальную при прокатке круглой стали и ромбическую или овальную при прокатке квадратной стали. Чистовые калибры предназначены для окончательного получения требуемого профиля. Однако по условиям прокатки не всегда представляется возможным получить в чистовом калибре готовый профиль в соответствии с требованиями ГОСТ или ТУ. Например, при прокатке в двухвалковых калибрах швеллеров или двутавровых балок наружные грани полок не параллельны. В этом случае получение профиля с параллельными полками обеспечивается в дальнейшем при правке на роликоправильных машинах. Размеры чистового калибра соответствуют размерам готового профиля с учетом температурного расширения металла, износа валков и допусков на размеры профиля. При этом характерный размер профиля С (сторона квадрата, диаметр круга и т. п.) рассчитывают по формуле С=[Сх-(0,6÷0,8)С](1+0,12·10-4t), 53 (4.2) где Сх - холодный размер профиля; С – абсолютное значение минусового допуска на размер профиля по ГОСТ или ТУ; t - температура металла в последнем проходе, °С; при неизвестной температуре конца прокатки можно принять (1+0,12·104t)≈1,013÷1,011. Рисунок 4.8 - Форма калибров Квадратные калибры служат для получения окончательного квадратного профиля. В практике к квадратным калибрам относятся и те, которые применяются как черновые и подготовительные с углом при вершине несколько большим 90° (часто этот угол равен 93°) в системе калибровки ромб – квадрат (Рисунок 4.9, а) и овал – квадрат (Рисунок 4.9, б). Рисунок 4.9 - Системы калибровки ромб – квадрат и овал – квадрат Овальные калибры применяются как черновые и подготовительные в системе овал – квадрат (Рисунок 4.9, б) и как предчистовые при прокатке круглой стали (рисунок 4.8, г). К овальным калибрам относятся и вытянутые шестигранные (Рисунок 4.8, в). Фасонные черновые калибры имеют самую разнообразную форму, которая, в большинстве случаев, подобна очертанию готового профиля, например, двутавровой балки (Рисунок 4.8, з), рельса (Рисунок 4.8, л), угольника (Рисунок 4.8, к) и т. п. 54 Форма сортаменту. чистовых калибров соответствует профилю готового изделия по 4.4. Общая схема производства в прокатных цехах На рис.4.10 приведена общая структура современного производства сортового и листового проката на крупном предприятии черной металлургии. Реальный завод необязательно содержит все представленные в схеме производства. Некоторые заводы специализируются на выпуске только сортового проката, другие на производстве только листа. Ряд заводов выпускают оба вида проката. В соответствии с представлениями сложившимися на рубеже ХХ и ХХI веков производство проката осуществляется в два этапа. На первом получают полуфабрикат – блюм и заготовку для сортового металла или сляб для листа, из которых, вторым этапом, получают готовый прокат. Интенсивное развитие процессов непрерывной разливки в последней четверти ХХ столетия, обусловило необходимость изменения ранее сложившихся определений того, что называется блюмом, а что заготовкой. В современной трактовке блюмом называется полоса квадратного или почти квадратного сечения с площадью равной или большей площади сечения 200×200 мм. Все меньшие сечения называются заготовкой. 55 Рисунок 4.10 – Обобщенная схема производства сортового и листового проката 56 Блюм может быть изготовлен по двум технологическим схемам. В первом случае блюмы получают по классической схеме слиткового передела (рис. 4.11, в) прокаткой на блюминге из слитка массой от 7 до 13 т (для углеродистых марок стали). По второй технологической схеме блюм требуемого сечения отливается на установках непрерывной разливки стали (УНРС) в сталеплавильном цехе (рис. 4.11, а). В настоящее время чаще применяют равнозначное название такой установки – «машина непрерывного литья заготовки» (МНЛЗ). Рисунок 4.11 - Технологические схемы производства блюмов и сортовой заготовки: а - отливка на МНЛЗ блюмов или сортовой заготовки; б - отливка на МНЛЗ блюма + перекатка блюма в сортовую заготовку; в - отливка слитка + прокатка блюма + перекатка блюма в сортовую заготовку Для качественных марок стали (легированные, инструментальные и др.), когда развес слитков мал (может составлять несколько сотен килограмм) прокатку на заготовку осуществляют целиком на заготовочном стане, минуя блюминг. В случае использования в дальнейшем заготовки для производства проката ответственного назначения более предпочтительной следует считать схему ее получения из непрерывнолитого блюма (рис. 4.11, б) путем прокатки последнего на заготовочном стане. 4.5. Получение профилей переменного и периодического сечения Разновидностью продольной прокатки является периодическая прокатка, которой получают профили переменного и периодического сечений. Использование таких профилей позволяет снизить массу деталей, элементов конструкций машин и механизмов. Периодические профили часто исключают необходимость проведения не только операций штамповки, но и сводят к минимуму обработку резанием. При использовании таких профилей в качестве заготовок для последующей штамповки поковок сложной формы обеспечивается заметная экономия металла (до 20 – 30 %), повышается производительность штамповки, снижается трудоемкость изготовления поковок и др. 57 Под профилями переменного сечения подразумевают полосы с плавно изменяющимся поперечным сечением. У периодических профилей изменение сечения по длине полосы периодически повторяется (Рисунок 4.12): Рисунок 4.12 Профили переменного (а) и периодического (б) сечения Профили переменного сечения, например клиновидные, получают прокаткой в цилиндрических круглых валках как с изменяющимся межцентровым расстоянием А, так и с постоянным. В первом случае соответствующее изменение расстояния между осями валков приводит к изменению зазора между ними, определяющего толщину прокатанной полосы (Рисунок 4.13). Рисунок 4.13 Схема прокатки профилей переменного сечения с изменяющимися (а) и постоянным (б) межцентровым расстояниям А Второй вариант процесса прокатки профилей переменного сечения реализуется при постоянном расстоянии между осями валков. Для облегчения изготовления валков и их замены часто используют бандажи или секторы (Рисунок 4.14). Рисунок 4.14 Схема процесса прокатки профилей переменного сечения 58 Очень важен в производстве периодического проката правильный выбор механизма подачи полосы в валки в нужный момент прокатки. При случайной подаче металла в валки на концах каждой полосы появляются периоды неполной длины, что увеличивает потери металла при обрезке. Чтобы приблизить потери к оптимальному значению, необходимо осуществлять захват металла при положении валков, соответствующем началу периода. В тех случаях, когда период имеет большую протяженность, потери металла могут быть особенно велики. 4.6. Цветные металлы и сплавы, подвергаемые обработке давлением, их свойства и области применения В настоящее время в технике используют свыше 60 цветных металлов. Чистые металлы наряду со многими положительными свойствами обладают, как правило, низкими прочностными характеристиками. Когда от конструктивных элементов требуется высокая прочность, используются сплавы цветных металлов. Сплавы применяют также для получения высокого электросопротивления и некоторых Других свойств материала. В результате общее число цветных металлов и их сплавов, используемых в народном хозяйстве, довольно велико. Если практически все чистые металлы подвергаются обработке давлением, то этого нельзя оказать о сплавах, зачастую обладающих очень низкой пластичностью и не подвергающихся в обычных условиях обработке давлением. Сплавы цветных металлов подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные, используемые для изготовления отливок и не воспринимающие пластических деформаций. Цветные металлы подразделяют на легкие (алюминий, магний, бериллий, титан и т.п.) и тяжелые (медь, никель, цинк, свинец и т.п.) - с плотностью более 5 г/см3. Выделяют благородные металлы ( платина, золото, серебро и т. п.) и редкие (цирконий, ниобий, тантал и т.п.). Рассмотрим свойства и применение наиболее распространенных металлов и их сплавов. Медь - металл, имеющий характерный красноватый, цвет, плотность 8,9 г/см3 и температуру плавления 1083°С. Техническая медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, антикоррозионной стойкостью. Ее прочностные и пластические характеристики изменяются в зависимости от количества примесей и от того, насколько упрочнен металл в результате холодной пластической деформации. Продел текучести σs меди марки МО изменяется от 60 МПа для отожженной и до 340 МПа для нагартованной. Соответственно временное сопротивление σв=220 - 400 МПа, а относительное удлинение δ=6 60 %. Медь различной чистоты идет на изготовление проволоки, прутков, листов, фольги, полос, труб, профилей, используемых во многих отраслях промышленности: электротехнической, металлургии, на транспорте и пр. Маркируется медь буквой М с добавлением цифр от 00 до 4; возрастание чисел происходит по мере снижения чистоты металла. Так, медь, содержащая 0,01% примесей, имеет маркировку МО0 , при содержании 0,05% примесей - МО и т.д. Увеличение содержания примесей, как правило, снижает электропроводность меди. Некоторые примеси существенно ухудшают физические и технологические свойства меди. Например, висмут, практически не растворяясь в ней, располагается при кристаллизации из расплава по границам зерен. Имея температуру плавления 271,3°С, Висмут даже при 59 небольшом содержании в меди (0,005%) приводит к ее разрушению при горячей деформации. Аналогичное влияние на пластичность меди при горячей деформации оказывает свинец. Примеси кислорода и железа совместно снижают электропроводность и пластичность меди, но повышают ее прочностные свойства. В твердой и жидкой меди хорошо растворяется водород, оказывая неблагоприятное воздействие на медь, содержащую кислород. Нагретая в восстановительной атмосфере, такая медь делается хрупкой и растрескивается при обработке давлением. Это явление носит название "водородная болезнь" и связано с образованием при высоких температурах водяных паров от взаимодействия водорода с кислородом, содержащимся в закиси меди. В этих условиях водяные пары не диссоциируют и не диффундируют. В результате в отдельных микрообъемах развивается очень высокое давление паров, приводящее к разрушению металла. На получение сплавов расходуется значительное количество меди. Все сплавы на медной основе разделены на три группы: латуни, бронзы и медноникелевые сплавы. Латуни - сплавы меди с цинком, относятся к наиболее распространенным медным сплавам, обладают хорошими механическими и технологическими свойствами. Латуни подразделяют на простые (двойные) и многокомпонентные (специальные). Простые имеют в своем составе, кроме меди, только цинк и ряд примесей, не вводимых специально; многокомпонентные помимо цинка содержат специальные добавки. Все физические свойства латуней определяются их составом. Маркируют простые латуни буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди. Например, Л63, Л68, Л90 т.п. Остальное составляет цинк. Латуни, подвергаемые обработке давлением, имеют довольно высокую пластичность, которая в значительной степени определяется структурой, зависящей от химического состава сплава, латуни хорошо поддаются обработке давлением в горячем и холодном состояниях, но это в большей мере относится к однофазным α- латуням, содержащим до 39% цинка, чем к имеющим однофазную β или двухфазную α+β - структуру, т.е. с содержанием цинка свыше 39%. Практическое применение имеют сплавы, содержащие до 43% цинка. В атмосферных условиях латуни корродируют довольно медленно, однако некоторые из сред существенно увеличивают скорость коррозии. Наиболее распространена форма коррозии, получившая название коррозионное или "сезонное" растрескивание. Этот вид коррозии возникает при наличии растягивающих напряжений в металле и соответствующей коррозионной среды (влаги и кислорода, следов аммиака, сернистого газа и пр.). Склонность латуней к коррозионному растрескиванию возрастает с увеличением содержания цинка, ростом величины растягивающих напряжений. Латуни с содержанием цинка менее 7% малочувствительны к коррозионному растрескиванию. Для снижения склонности к растрескиванию необходимо уменьшать величину остаточных растягивающих напряжений, что достигается либо термической обработкой - низкотемпературным отжигом при 270°С , либо за счет дополнительной пластической деформации, вызывающей возникновение сжимающих напряжений. Многокомпонентные латуни могут быть, как и простые, деформируемыми и литейными. Маркируются они, помимо буквы Л и процентного содержания меди, цифрами и буквами, показывающими, какие добавки и в каком количестве содержатся в сплаве. Например, латунь алюминиевая ЛА85-,5 содержит в среднем 85% меди и 0,5% алюминия (А), остальное - цинк; 60 латунь алюминиевожелезистая ЛАЖ-60-1-1 содержит в среднем 60% меди и 1% алюминия (А) и железа (Ж) . Условные обозначения других легирующих элементов: С - свинец; К – кремний; Мц – марганец; Н – никель; О – олово и т.п. Добавление легирующих элементов в латунь приводит к изменению ее фазового состава, а следовательно, и свойств специальных латуней по сравнению с простыми. Свойства определяются также природой легирующих элементов. В целом специальные латуни имеют более высокие, чем простые латуни, прочностные свойства, лучшую коррозионную и противокавитационную стойкость. При этом сохраняется хорошая обрабатываемость давлением при высоких и несколько худшая - при низких температурах. Бронзами - раньше называли сплавы меди с оловом. В последствии появились сплавы меди с другими элементами, такими как никель, алюминий, кремний и пр. Эти сплавы иногда именуют специальными бронзами. Маркируют бронзы буквами Бр с указанием легирующих элементов, входящих в состав сплава, и их среднего содержания в процентах. Цинк обозначают буквой Ц, бериллий - буквой Б; хром - Х; фосфор - Ф. Остальные обозначения такие же, как и для латуней. Пример маркировки: алюминиевожелезисто-марганцовистая бронза - БрАЖМц103-1,5 - содержит в среднем 10% алюминия, 3% железа, 1,5% марганца, остальное - медь. Оловянистые бронзы первоначально использовали для получения фасонного литья; деформируемые сплавы этой группы появились значительно позже. Они характеризуются высокой прочностью, коррозионной стойкостью, значительно пластичнее литейных бронз; хорошо обрабатывается давлением бронза БрОЦ4-3. Дефицитность и высокая стоимость олова привели к широкому применению безоловянистых бронз, которые вытесняют оловянистые, не только не уступая им по ряду показателей, но часто и превосходя их. Наиболее распространены алюминиевые бронзы, многие их свойства улучшаются при введении дополнительных легирующих элементов, таких как никель, марганец, железо. Кроме того, применяются бронзы, не содержащие олово и алюминий. Наилучшими антифрикционными свойствами обладает свинцовистые бронза. Марганцовистые бронзы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, обладают повышенной прочностью, например бронза БрМц5. Используют в промышленности и кремнистые бронзы, в частности БрКМц3-1. Этот сплав имеет однофазную структуру и отличается высокими технологическими, механическими, антикоррозионными и неплохими антифрикционными свойствами, обрабатываются давлением. Уникальным сочетанием положительных свойств обладают бериллиевые бронзы. Благодаря переменной растворимости бериллия в меди, уменьшающейся с понижением температуры, бериллиевые бронзы термически упрочняются. Сплав, содержащий около 2% Be (БрБ2), закаливается, начиная с 780 °С, и подвергается старению при 300-350 °С. В результате временное сопротивление возрастает с 540 до 1100-1200 МПа. Наряду с высокими прочностными свойствами бериллиевые бронзы обладают хорошей коррозионной стойкостью, износостойкостью, высокой электро- и теплопроводностью; они мало склонны к хладноломкости и поэтому могут использоваться в интервале температур от -200 до +250 °С; немагнитны и не дают искры при ударе, что чрезвычайно важно для инструментов, применяемых в загазованных подземных выработках. 61 Многокомпонентные бронзы, обладающие высокой прочностью и коррозионной стойкостью, применяют в судостроении, электромашиностроении, теплотехнике. Алюминиевые бронзы (БрА5, А7) используют в морском судостроении, машиностроении, авто- и авиастроении. Высокопрочные алюминиевые бронзы употребляют для изготовления ответственных деталей: зубчатых колес, втулок, седел клапанов, гаек нажимных винтов прокатных клетей и т.п. Медные сплавы применяются в химической, нефтехимической, текстильной и других отраслях промышленности. Медноникелевые сплавы имеют большое значение в технике, ибо отличаются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, уникальными электрическими и термоэлектрическими свойствами. Медноникелевые сплавы подразделяют на коррозионностойкие (мельхиор, нейзильбер и т.п.) и электротехнические (МН16, копель, манганин и т.п.). Мельхиоры – двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель. Они широко применяются в морском судостроении, так как обладают хорошими прочностными свойствами и высокой коррозионной стойкостью в пресной, морской воде и паре. Наиболее распространены мельхиоры марок МН19 и МНЖМЦ30-0,8-1. Нейзильберы (например, МНЦ15-20) имеют высокую прочность благодаря дополнительному легированию цинком; хорошо обрабатываются давлением; отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе и во многих агрессивных средах; используются в технике и для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента и пр. Электротехнические медноникелевые сплавы отличаются высоким удельным электросопротивлением, малым температурным коэффициентом. Некоторые из сплавов, например копель (МНМц43-0,5) в паре с медью, железом, хромелем, дают большую термоЭДС; они широко распространены в пирометрии. Манганин (МНМц3-12) в паре с медью дает небольшую термо-ЭДС. Эти сплавы обладают достаточной жаро- и коррозионной стойкостью. Многие медноникелевые сплавы используют для изготовления приборов электросопротивления, в частности манганин. Никель – металл серебристого цвета, плавящийся при 1455 °С и имеющий плотность 8,9 3 г/см . Металл высокопрочен: предел текучести σs изменяется от 220 до 700 МПа; временное сопротивление σв=400-900 МПа. Он имеет высокую коррозионную стойкость, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях (пластичен) и используется в различных отраслях промышленности. Маркируется никель буквой Н с цифрами от 0 до 4 в зависимости от чистоты металла, например Н0, Н3 и т.п. Наибольшее отрицательное влияние на свойства никеля оказывают такие примеси, как сера и кислород. Они образуют с никелем хрупкие эвтектики, обусловливающие повышенную хрупкость металла; присутствие кислорода в никеле и его сплавах увеличивает их склонность к «водородной болезни». Сплавы на основе никеля имеют разнообразное применение в промышленности: никель кремнистый (НК0, 04; НК0,2) в виде лент, трубок и проволоки используется в электровакуумных приборах; никель марганцовистый (НМц2,5; НМц5), обладающий повышенной жаростойкостью, применяют для изготовления запальных свечей двигателей внутреннего сгорания. Рядом положительных свойств обладает монель – металл, имеющий 62 маркировку НМЖМц28-2,5-1,5: высокой прочностью и коррозионной стойкостью, достаточной жаропрочностью. Данные свойства позволяют использовать сплав для производства деталей, работающих в различных агрессивных средах и при высоких температурах. Сплавы никеля с хромом - хромели (НХ9, НХ9,5) - отличаются высокими механическими свойствами и жаростойкостью; применяются как и алюмель- НМцАК2-2-1 в пирометрии. Сплав, содержащий около 20% хрома, называют нихромом (Х20Н80); его используют для изготовления нагревательных элементов. Для этих целей применяют и ферронихром Х15Н60, содержащий помимо хрома 25-30% железа. Алюминий - легкий металл (плотность 2,7 г/см3) серебристого цвета; плавится при температуре 660 °С; имеет низкие прочностные свойства, в зависимости от степени чистота и нагартовки изменяющиеся в следующих пределах: σs =20 - 120 МПа; σв = 60 - 150 MПа. Металл отличается высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, морозостойкостью ; отлично обрабатывается давлением в горячем в холодном состояниях. Благодаря этим свойствам он широко используется в различных отраслях промышленности в чистом виде (проволока, лист, фольга), В больших количествах расходуется на приготовление алюминиевых сплавов. Маркируется алюминий буквой А с цифрами, указывающими на содержание чистого алюминия свыше 99%, и означающими тысячные, сотые или десятые доли процента. Алюминий особой частоты А999 содержит алюминия 99,999% ; примеси составляют всего лишь 0,001%. Алюминий высокой чистоты имеет маркировку от А995 до А95, т.е. содержит от 99,995 до 99,95% алюминия. К алюминию технической чистоты относятся марки от А85 до А0, т.е. с содержанием алюминия от 99,85 до 99,0%. Для получения более высокой прочности при сохранении малой плотности и других необходимых свойств алюминий легируют, добавляя медь, магний, марганец, цинк, кремний и другие металлы. В промышленности известны свыше 55 марок алюминиевых сплавав. Перечислим некоторые из деформируемых сплавав, которые подразделяются на термически неупрочняемые и термически упрочняемые. К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы систем Al-Mn и Al-Mg, обозначаемые соответственно буквами АМц и АМг. Маркировка сплавов этой группы включает в себя цифру, указывающую среднее содержание магния (например, АМг5) . Сплавы характеризуются довольно высокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Термической обработкой (закалкой с последующим старением) упрочняются сплавы систем Al-Mg-Si (типа авиаль (АД31, АД33, АВ и т.п.); Al-Cu-Mg , типа дюралюминов, маркируемых буквой Д. c цифрами, указывающими номер сплава (Д1, Д16 и т.п.). Алюминиевые сплавы являются основным конструкционным материалом в авиастроении. Их применяют для изготовления силовых элементов: обшивки, шпангоутов, лонжеронов и пр.; деталей реактивных и турбовинтовых двигателей. Широкое применение алюминиевые сплавы нашли в судостроении, строительстве, транспортном машиностроении и т.п. 63 4.7. Производство сортового проката и проволоки из цветных металлов и сплавов 4.7.1. Сортамент проката из цветных металлов и сплавов. Исходные слитки и заготовки Значительная доля сортового проката и почти вся проволока-катанка поступают в волочильные цеха заводов по обработке цветных металлов. Сортовой прокат превращается в готовые изделия – волоченые прутки или проволоку различных размеров. Сортамент проката из цветных металлов значительно уже, чем сортовой стали. Он ограничен катанкой диаметров 6,512 мм из различных металлов и сплавов, прямоугольными полосами из меди и алюминия толщиной 6-15 мм и шириной 10-115 мм. Из меди, латуней, никелевых, некоторых алюминиевых и титановых сплавов прокатывают круглые прукти диаметров 12-120 мм, из меди и бронзы БрКд1 – трапецеидальные полосы – заготовки для изготовления коллекторов электродвигателей, с сечением 3-18×18-105 мм. Число более сложных сортовых профилей типа уголков и т.п., которые производят из цветных металлов и сплавов, весьма ограничено. Исходные слитки из цветных металлов и сплавов, поступающие на сортовые и проволочные станы, характеризуются большим разнообразием по массе, форме, размерам и способам получения. Слитки из чистых металлов (например, в кабельном производстве) поставляются металлургическими – медеплавильными и алюминиевыми заводами; слитки из сплавов и некоторых чистых металлов выплавляют и отливают в литейных цехах заводов по обработке цветных металлов. Слитки из алюминия, отлитые непрерывным способом на металлургических заводах, имеют по ГОСТам квадратное поперечное сечение 100×100 мм и длину 1200-2700 мм при массе 29-76 кг; медные слитки квадратного сечения (90×90 и 100×100 мм) – длину 1400 и 2800 мм и массу 96 и 246 кг; медные вайербарсы горизонтальной отливки трапецеидального сечения (98×88)×91 мм – длину около 1370 мм и массу 85-130 кг (рис. 4.15, а). Сплавы на медной основе (бронзы, латуни), на основе алюминия, титана и т.п. отливают в литейных цехах в слитки квадратного (80×80-120×120 мм) и круглого (D=100-130 мм) сечения; их длина 500-2700 мм в зависимости от способа отливки. Слитки, отливаемые в изложницы, имеют небольшую длину (500-720 мм) и массу (45-65 кг); их форма в ряде случаев характеризуется наличием конусности (рис. 4.15, б). Рисунок 4.15 – Сортовые слитки из цветных металлов и сплавов: а – из меди горизонтальной отливки (вайербарсы); б – из сложных сплавов отливки в вертикальную изложницу 64 В качестве исходных заготовок из сложных бронх, некоторых алюминиевых и титановых сплавов используются прокованные или прессованные прутки. При прокатке катанки на сортовых станах заводов по обработке цветных металлов на бочках валков нарезают калибры, которые характерны и при прокатке черных металлов. Однако при расчете технологических параметров следует учитывать свойства каждого конкретного металла либо сплава, поскольку вследствие различных механических свойств при одном и том же режиме обжатия для различных металлов будет различным их уширение. 4.7.2. Прокатка медной проволоки-катанки на полунепрерывном стане До недавнего времени наиболее распространенными для прокатки сорта и проволоки из цветных металлов были станы с линейным расположением рабочих клетей. Эти станы имеют в своем составе, как правило, обжимную трехвалковую клеть с валками диаметров 400-600 мм и чистовые линии с клетями «переменное дуо», имеющими валк диаметром 250-280 мм, а некоторые из этих станов – промежуточные линии клетей с валками 300-350 мм. Скорости прокатки на таких станах не ппревышают 7,5 м/с, производительность на медных вайербарсах массой 85 кг – 20 т/ч. При прокатке алюминия производительность еще ниже – около 4 т/ч. Станы почти не механизированы, используется ручная передача и кантовка овальных раскатов в чистовых линиях, а кое-где и на обжимных клетях. Состав рабочей бригады на таких станах достигает 20-30 чел., тогда как на современных механизированных станах – 5-17 чел. Новые станы, построенные в нашей стране и за рубежом, имеют достаточно высокий уровень механизации и автоматизации и в основном полунепрерывное или непрерывное расположение рабочих клетей. Широкое распространение, особенно при производстве алюминиевой катанки, получили установки для непрерывной разливки и прокатки. Их эксплуатация непосредственно на алюминиевых заводах очень эффективна. С использование жидкого расплава, полученного при электролизе, устраняются большие энергозатраты на повторное расплавление алюминия на заводах по обработке цветных металлов. В качестве примера рассматривается технологическая схема производства медной катанки прокаткой на полунепрервыном стане 250 (рис. 4.16). Поступающие по железной дороге медные слитки перегружаются автопогрузчиками из вагонов на склад и укладываются в штабеля. Краном слитки переносятся на загрузочное устройство (транспортер) 1 и уже пакетами – на рольганг 2 и транспортируются к методическим нагревательным печам 16. Нагретые до 850-900°С слитки подаются для прокатки на обжимную трехвалковую клеть 500, где прокатываются за четыре прохода. Перед клетью 500 установлены кантователь и передающее устройство. Передача раската от калибра к калибру и кантовка на задней стороне стана осуществляется кантовальными досками. Подъемным столом и рольгангами или с помощью обводных аппаратов. После обжимной клети раскат проходит восемь двухвалковых клетей 300, расположенных по принципу непрерывной прокатки (9). После прохождения четырех клетей на летучих ножницах 10 обрезают передний остывший конец. Прокатку в клетях 9 ведут в две нитки. Последние четыре прохода (всего 16) осуществляют в чередующихся вертикальных – 11 и горизонтальных 12 клетях 250. Прокатка идет в одну нитку со скоростями 6-25 м/с. Применение клетей с вертикальными т горизонтальными валками устраняет необходимость кантовки малых овалов. 65 Рисунок 4.16 – Схема расположения оборудования полунепрерывного проволочного стана 250 для прокатки меди и ее сплавов: 1 – загрузочное устройство; 2 – печной рольганг; 3- толкатель; 4 – подъемный стол; 5 – рольганг с кантовальными досками; 6 – рабочая клеть трио 500; 7 – подводящий рольганг; 8 – отводящий рольнаг; 9 – непрерывная группа 300 из 8 клетей дуо; 10 – летучие ножницы; 11 – рабочая клеть 250 с вертикальными валками; 12 – рабочая клеть 250 с горизонтальными валками; 13 – моталки; 14 – пластинчатый транспортер; 15 – крюковой конвейер; 16 – методические нагревательный печи Прокатка в клети 500 производится сначала в двух ящичных калибрах, а затем в шестиугольном и квадратном калибрах. Полученный после четвертого прохода квадрат 44 мм задается в шестиугольный калибр, нарезанный на валках первой клети непрерывной группы 300. В дальнейшем прокатка идет в калибрах системы квадрат-овал. В последней клети 12 получают круг диаметров 9 мм. Смотку катанки в бунты производят на моталках 13, а их охлаждение – на пластинчатом транспортере 14 с погружением в водяную ванну. Передача бунтов на склад осуществляется крюковым конвейером 15. На складе бунты пакетируют и автопогрузчиком укладывают в штабеля. Производительность стана достигает 40 т/ч. 4.8. Пороки готовых профилей и способы их удаления В зависимости от характера, количества и величины пороков готовый прокат разделяется на следующие группы: 1. Готовый прокат первого сорта – это прокат, полностью соответствующий требованиям действующих стандартов. 2. Готовый прокат второго сорта – прокат с пороками в пределах, допускаемых требованиями соответствующих ГОСТов и ТУ в характеристике вторых сортов. 3. Некондиционные профили – недокаты, профили с отклонениями от стандарта, выходящими за пределы второго сорта, но годные для использования. 4. Окончательный брак. 66 Для некоторых видов проката, например для жести, предусмотрен выпуск продукции третьего сорта. Отнесение готовых профилей к той или иной группе производится на основании осмотра, обмера и испытаний в соответствии с требованиями стандартов. Для целого ряда прокатной продукции с пороками второго сорта и некондиционной продукции экономически целесообразным является устранение пороков с целью увеличения выхода годного и первого сорта. На качество прокатной продукции влияют все рассмотренные выше технологические переделы производства, начиная от сталеплавильного и кончая охлаждением и отделкой готового проката. Поэтому все дефекты готового проката классифицируют прежде всего по происхождению: – пороки сталеплавильного происхождения; – пороки прокатного происхождения. 4.8.1. Дефекты сталеплавильного производства На прокатном переделе могут быть выявлены следующие дефекты выплавки, раскисления, разливки стали и охлаждения слитков. 1. Несоответствие химсостава стали требуемой марки, которое может быть выявлено при испытании образцов на твердость и подтверждено соответствующим химическим анализом. Причиной порока может быть повышенная химическая ликвация (особенно по углероду, фосфору и сере), а также перепутывание плавок. 2. Глубокое залегание усадочной раковины, которое на прокатном переделе проявляется в виде полости или расслоения в поперечном сечении (на срезе) блюма, сляба или заготовки (рис. 4.17). Причиной порока является нарушение технологии разливки стали, вследствии чего усадочная раковина проникает внутрь слитка за пределы прибыльной надставки. Удаление этого дефекта путем вырезки части раската на ножницах приводит к повышенному расходу металла. а б Рисунок 4.17 - Полости и расслоения в поперечном сечении блюма (а) и сляба (б) 3. Раскатанные подкорковые пузыри, возникающие на поверхности полосы вследствие близкого расположения сотовых пузырей к поверхности слитка кипящей стали. Причиной дефекта является нарушение технологии раскисления и разливки стали. При деформации 67 поверхностного слоя слитка эти пузыри вскрываются и раскатываются. Типичный вид дефекта показан на рис. 4.18. а б Рисунок 4.18 - Вскрытые и раскатанные подкорковые пузыри на поверхности толстых листов 4. Плены – это раскатанные наплывы стали на окисленной поверхности слитка. При деформации слитка эти наплывы превращаются в тонкую пленку (рис. 4.19), которая может отделяться от основного металла. Причиной дефекта является нарушение технологии разливки стали (слишком длительная или кратковременно прерываемая разливка, застывшие брызги на поверхности слитка и т.п.). Рисунок 4.19 - Плены на поверхности горячекатаной заготовки 5. Рванины и трещины – это нарушение сплошности металла в виде поперечных надрывов у ребер или по всей поверхности горячекатаной заготовки, а также в виде линий в продольном или поперечном направлении (рис. 4.20). Рисунок 4.20 - Продольная трещина и поперечная рванина на поверхности горячекатаной заготовки 68 Причиной возникновения таких дефектов может быть повышенное содержание кислорода, серы и меди в стали, дефектная поверхность слитка из-за неправильной технологии разливки, а также наличие остаточных напряжений в слитках. 6. Раковины – местные образования на поверхности раската в виде впадин, величина и форма которых могут быть самыми различными (рис. 4.21). Причиной их могут быть неустраненные раковины на поверхности слитка или очень глубокие и недостаточно выровненные места зачистки (вырубки) дефектов слитка. а б Рисунок 4.21 - Раковины на поверхности толстого листа (а) и прутка (б) 7. Неметаллические включения – это огнеупорные материалы от размытой литниковой системы или футеровки ковшей, а также продукты окисления примесей в стали (окислы, сульфиды, силикаты), которые получаются вследствие большого содержания кислорода. Указанные включения могут выходить на поверхность проката в виде полос или оставаться внутри металла в виде беспорядочно распределенных по сечению и длине частиц, имеющих чаще всего вытянутую форму (рис. 4.22). а б Рисунок 4.22 - Неметаллические включения на поверхности (а) и в поперечном сечении (б) прутка 8. Расслоения (рис. 4.23) возникают в прокатных изделиях вследствие присутствия внутри слитка неметаллических включений, окисленных поверхностей (следов усадочной раковины), незаварившихся газовых пузырей. Поскольку в местах расслоения этих дефектов сплошность металла нарушена, то в процессе прокатки из-за возникающих напряжений сдвига металл в указанных местах расслаивается. 69 а б Рисунок 4.23 - Расслоения металла в сутунке (а) и в стенке двутавра (б) 4.8.2. Пороки прокатного происхождения На прокатном переделе дефекты готовой продукции могут получиться вследствие нарушения режимов нагрева слитков и заготовок, деформации металла, охлаждения, термообработки и отделки проката. В результате неправильной технологии нагрева могут возникать следующие пороки: перегрев и пережог металла, продольные и поперечные трещины, «скворечники», вкатанная окалина, обезуглероживание. Дефекты, которые возникают непосредственно при прокатке, классифицируют по форме профиля, точности размеров, наружному и внутреннему нарушению сплошности металла, по состоянию поверхности полосы. 4.8.2.1. Дефекты формы профиля Искажения формы прокатываемых сортовых профилей возникают вследствие нарушения режима обжатий металла, неправильной настройки рабочих клетей или неудачной калибровки валков. Виды искажений профилей весьма разнообразны. На рис. 4.24 показаны характерные виды искажения профиля квадратной заготовки. Ромбичность квадратной заготовки может возникать вследствие потери устойчивости полосы (см. рис. 4.24, б) задаваемой в ящичный калибр или по причине неправильной осевой настройки валков (сдвиг верхнего ручья относительно нижнего). Неодинаковые стороны квадрата m > n (см. рис. 4.24, в) 70 получаются из-за большого обжатия одной стороны раската. Выпуклые боковые грани заготовки (см. рис. 4.24, г) получаются вследствие нерациональной калибровки валков. Рисунок 4.24 - Виды неправильного профиля квадратной заготовки: а – правильный профиль; б – ромбичность (разные диагонали) профиля; в – неравные стороны квадрата; г – выпуклые боковые грани К основным видам искажения правильного круглого профиля (рис. 4.25, а) относятся: несоответствие вертикального диаметра DВ номинальному размеру D, т.е. DВ > D (см. рис. 4.25, б) или DВ < D (см. рис. 4.25, д); незаполнение калибра с двух сторон (см. рис. 4.25, в) или с одной стороны (см. рис. 4.25, е); двухстороннее или одностороннее образование заусенца, т.е. переполнение калибра (см. рис. 4.25, ж и 4.25, з); сдвиг верхней половины профиля относительно нижней (см. рис. 4.25, и) и др. Указанные искажения исправляются путем соответствующей настройки валков в одной или двух смежных клетях (регулирование межвалкового зазора, сдвиг валков в осевом направлении и т.п.), а также путем более точной установки валковой арматуры. Рисунок 4.25 - Виды искажений круглого профиля При прокатке квадратных профилей по ГОСТ 2591-88 встречаются следующие отклонения от правильного квадрата (рис. 4.26, а): незаполнение (притупление) углов профиля в разъеме или в вершине калибра (см. рис. 4.26, б и 4.26, в); образование заусенцев, т.е. переполнение калибров (см. рис. 4.26, г); разность сторон или диагоналей квадрата (см. рис. 4.26, 71 д); сдвиг верхней половины профиля относительно нижней с образованием уступов на двух противоположных сторонах (см. рис. 4.26, е) и др. Рисунок 4.26 - Основные виды искажений квадратного профиля Для фасонных профилей (уголков, швеллеров, балок) типичными дефектами являются невыполнение одной или двух полок по высоте, разная толщина полок, притупления прямых углов в вершине уголка или швеллера или невыполнение этих углов, заусенцы на полках и др. Указанные дефекты являются следствием неправильной калибровки валков или ошибок в настройке стана. 4.8.2.2. Искривления полос по длине Прокатанные полосы при правильном профиле могут искривляться по длине в горизонтальной или вертикальной плоскости, а также закручиваться по винтовой линии. Причиной таких дефектов может быть неравномерный нагрев по сечению полосы (рис. 4.27, а и б), неравномерное обжатие по ширине полосы (рис. 4.27, в), неравномерное охлаждение готового проката, а также неправильная настройка стана и валковой арматуры. а б в Рисунок 4.27 - Виды искривления полос по длине: а – при неравномерном нагреве заготовки по ширине сляба (tn < tm); б – при неравномерном нагреве по толщине заготовки (tn < tm); в – при неравномерном обжатии по ширине полосы (hn > hm) 72 4.8.2.3. Неровность (непланшетность) поверхности проката Готовые листы и широкие полосы должны иметь ровную поверхность, лежащую в одной плоскости, что проверяют укладкой листов на поверочную горизонтальную плиту. Однако практически в некоторых случаях по середине или по краям листа наблюдается волнистость (рис. 4.28), а в отдельных местах полос – коробоватость (рис. 4.29), т.е. одновременное наличие на листе продольной и поперечной волны, что делает лист коробоватым. Рисунок 4.28 - Различные виды волнистости поверхности листов и широких полос: а – волнистость по середине; б – волнистость на обоих краях; в – волнистость на одном краю Рисунок 4.29 - Коробоватость поверхности листа (схематический вид): а, б, в, г – граница коробоватого места Количественно эти пороки оценивают по высоте волны и короба. В некоторых случаях волнистость наблюдается на фасонных профилях, например по шейке двутавровой балки или швеллера. Причиной этих дефектов является неравномерность обжатия по ширине листов и полос. Если относительное обжатие по середине полос получается больше, чем по краям, то волнистость будет наблюдаться в средней части полос. Если же относительное обжатие (и следовательно, вытяжка) по краям будет больше, чем по середине, то происходит образование волнистости по краям. Причиной волнистости и коробоватости может быть также неравномерность температуры металла в различных участках полосы, а также изменения в процессе прокатки профиля бочки валков. 73 4.8.2.4. Неточность размеров проката Размеры готового проката по толщине, ширине и длине должны укладываться в допустимые отклонения, устанавливаемые соответствующими ГОСТами и техническими условиями. Обычно стандартами устанавливается верхнее + и нижнее - допустимое отклонение от номинального размера проката dн. Соответственно этому прокат считается годным, если выполняется неравенство d н       d н  d н   . Невыполнение этого условия является основанием для отбраковки продукции. 4.8.2.5. Наружные нарушения сплошности полос К этой группе пороков относятся рванины, закаты, морщины и трещины. Рванины (рис. 4.30) образуются чаще всего по краям полосы, например, при прокатке квадратной полосы в ромбическом калибре, или по краям тонких листов и получаются вследствие местного подстывания металла или по причине больших и неравномерных обжатий. Повышенную склонность к образованию рванин имеют малопластичные легированные стали и сплавы. Закаты (рис. 4.31) образуются при закатывании валками участков полосы с резкими переходами граней, получающихся на предыдущих стадиях деформации. Например, переполнение овального калибра, как правило, приводит к образованию заката при последующей прокатке круглого профиля: полученный заусенец загибается и закатывается на поверхности круга. Закат проявляется на поверхности полосы в виде риски (см. рис. 4.31, б) или при осадке образца, вырезанного из полосы. Рисунок 4.30 - Рванины на кромке ромбической полосы 74 а б Рисунок 4.31 - Закат на поверхности (а) и в поперечном сечении (б) горячекатаного прутка Морщины (рис. 4.32, а) на поверхности горячекатаных круглых или квадратных прутков могут получаться вследствие неправильной калибровки валков, когда квадратная полоса обжимается в овальном калибре с малым отношением осей (т.е. с малым радиусом овала). В этом случае на боковой поверхности раската получается большое обжатие (см. рис. 4.32, б) и образуются складки (морщины), которые при последующей прокатке после кантовки сжимаются по ширине и образуют систему продольных рисок. Трещины прокатного происхождения получаются чаще всего на боковой поверхности раската вследствие больших обжатий, когда ресурс пластичности металла (см. разд. 8) практически исчерпан. Причиной их может быть также неудачная калибровка валков, особенно при прокатке малопластичных сталей и сплавов. Обычно такие трещины располагаются в поперечном направлении (рис. 4.33, а). Однако иногда из-за неправильной калибровки валков получаются мелкие продольные трещины-волосовины (рис. 4.33, б). а б Рисунок 4.32 - Морщины на поверхности круглого проката (а) и схема их образования (б) 75 а б Рисунок 4.33 - Поперечные (а) и продольные (б) трещины прокатного происхождения 4.8.2.6. Внутренние нарушения сплошности металла К этой группе пороков относятся волосовины, флокены, внутренние разрывы и расслоения. Волосовинами называют мелкие внутренние трещины, обнаруживаемые в прокатанном металле после снятия с него наружного слоя определенной толщины (рис. 4.34). В большинстве случаев они выглядят как вытянутые вдоль направления прокатки тонкие (толщиной в волос) полосы длиной от 20–30 до 100–150 мм. В поперечном изломе (или шлифе) они видны как точки, являющиеся проекциями этих капиллярных трещин. Чаще всего они встречаются в конструкционных, инструментальных, жаростойких и кислотостойких сталях. Иногда волостные трещины выходят на поверхность раската. а б Рисунок 4.34 - Волосовины на обточенном образце (а) и в продольном сечении (б, в) прокатанного прутка 76-42 мм в Основными причинами образования волосовин являются факторы металлургического происхождения, в частности газонасыщенность стали, мелкие подкорковые пузыри, 76 неметаллические и шлаковые включения. Однако некоторые параметры калибровки валков и режимов обжатий способствуют уменьшению количества волосовин. Например, с увеличением величины обжатий и с применением бокового защемления металла в калибрах количество брака по волосовинам снижается. Кроме того, причинами образования волосовин иногда могут быть неправильные режимы охлаждения металла после прокатки, особенно в тех случаях, когда волостные трещины видны на поверхности прокатанных полос. Флокены – это мелкие волостные трещины толщиной до сотых долей миллиметра с кристаллическим строением поверхности стенок. Их можно наблюдать в изломе и на макроили микрошлифах. В изломе они имеют вид характерных пятен круглой или овальной формы (рис. 4.35, а), выделяющихся на фоне здорового металла своей серебристо-белой блестящей окраской. На поперечном макротемплете они видны как мелкие различно направленные волостные трещины (рис. 4.35, б). Диаметр пятен флокенов составляет обычно 5–10 мм. Длина флокенов в виде волостнистых трещин может изменяться от десятых долей миллиметра до 5–10 мм и более. Флокены образуются в средне- и высокоуглеродистых сталях, особенно легированных хромоникелевых, хромоникельмолибденовых, марганцовистых и некоторых других конструкционных и инструментальных сталях мартенситного и перлитного классов. а б Рисунок 4.35 - Флокены в изломе (а) и на макрошлифе (б) Причиной образования флокенов является наличие водорода в стали, который при прокатке находится в состоянии твердого раствора в аустените, а при последующем охлаждении переходит в газообразное состояние. Возникающее при этом давление газа приводит к появлению внутренних напряжений и местному нарушению сплошности металла в виде флокенов. Низкая пластичность сталей в холодном состоянии (в области температур ниже 250 С) способствует такому разрушению. Образование флокенов происходит постепенно и может продолжаться десятки и сотни часов, даже в процессе эксплуатации проката, что может вызывать разрушение изделия. Для предотвращения образования флокенов применяют специальные режимы охлаждения проката и вакуумирование жидкой стали с целью удаления водорода. Внутренние разрывы – это полости, образующиеся в центральной осевой зоне блюмов и крупных штанг (рис. 4.36), а также толстых листов. 77 Причиной образования этого дефекта является недостаточная проработка металла по сечению раската, когда в центральной осевой зоне металл не обжимается, а вытягивается под действием поверхностных слоев, контактирующих с валками. а б Рисунок 4.36 - Образование внутренних разрывов в продольном (а) и поперечном (б) сечении круглой штанги 4.8.2.7. Дефекты поверхности На поверхности проката встречаются следующие дефекты: вкатанная окалина, рябизна, риски, надавы, плены и т.п. Вкатанная окалина получается вследствие неполного удаления первичной окалины с нагретой заготовки, особенно на некоторых легированных сталях, у которых окалина удерживается на поверхности раската очень прочно. В процессе прокатки неудаленная окалина вдавливается в металл, образуя углубления различной формы (рис. 4.37). Если в дальнейшем она отделяется от металла, то на поверхности остаются раковины. Иногда наблюдается вкатывание вторичной, более тонкой окалины. Рисунок 4.37 - Различные виды вкатанной окалины на поверхности толстого листа Рябизна (рис. 4.38) – это шероховатость поверхности проката, получающаяся вследствие изношенности (выработанности) поверхности бочки валка или при выкрашивании мелких участков вкатанной окалины, например таких, как показано на рис. 4.37. 78 Рисунок 4.38 - Рябизна (шероховатость) на поверхности прутка Риски, царапины, надавы и т.п. (рис. 4.39) проката могут получаться вследствие отпечатывания дефектов поверхности бочки валков и при механических повреждениях раската в процессе транспортировки его в межклетьевых промежутках (например, в валковой арматуре) и по рольгангу. а б Рисунок 4.39 - Риски (а) и надавы (б) на поверхности полосы Плены прокатного происхождения образуются вследствие раскатывания заусенцев, рванин и других дефектов прокатного происхождения на поверхности полосы. Обычно они проявляются в виде отслоений тонких пленок на поверхности раската (рис. 4.40). Рисунок 4.40 - Плены на поверхности катанки диаметром 6 мм после скручивания 4.8.2.8. Дефекты охлаждения и отделки проката Вследствие неправильных режимов охлаждения готового проката могут получаться наружные или внутренние трещины, показанные на рис. 4.41 и 4.42 и называемые «холодными». 79 Рисунок 4.41 - «Холодные» трещины на поверхности штанги из нержавеющей стали Рисунок 4.42 - Кольцевая и центральная внутренние трещины в штанге диаметром 220 мм, полученные при резком охлаждении в воде При нарушениях технологических режимов зачистки проката также могут получаться трещины на зачищаемой поверхности. Например, при слишком большом усилии прижатия абразивного круга к поверхности заготовки могут получаться шлифовальные трещины от резкого местного разогрева и последующего охлаждения металла (рис. 4.43). Рисунок 4.43 - Шлифовочные трещины на поверхности горячекатаной заготовки Трещины могут получаться также при несоблюдении температурных режимов огневой зачистки легированных сталей. При нарушениях технологии огневой зачистки на зачищаемой поверхности могут образовываться наплывы металла и застывшие капли, которые при последующей прокатке будут раскатываться в плены. 4.8.2.9. Прочие дефекты прокатной продукции Наряду с рассмотренными выше пороками возможно образование целого ряда других дефектов, например: невыполнение механических свойств проката различного назначения, связанное с дефектами микроструктуры металла; невыполнение электротехнических свойств 80 трансформаторной и динамной тонколистовой стали; получение неудовлетворительной формы концов полосы и неправильного (косого) реза листов; загрязнение поверхности проката и т.п. 4.8.3. Способы обнаружения и удаления дефектов В целях обнаружения дефектов готовые профили подвергают осмотру и контролю качества. При этом в зависимости от химсостава и назначения проката предусматривается два способа контроля: 1. Готовый прокат из углеродистых и низколегированных марок стали принимают в технологическом потоке станов, для чего предусматривается автоматизированный контроль качества и выборочная сортировка металла. Выборочной сортировке на адъюстаже подвергаются профили с обнаруженными дефектами, что составляет примерно 10–15 % готовой продукции. 2. Готовый прокат из высоколегированных и специальных марок стали и сплавов подвергают 100%-му контролю и сортировке вне основного технологического потока с последующей сплошной или выборочной зачисткой. Для удаления дефектов применяют в основном те же виды и способы зачистки, что и при подготовке слитков и заготовок к прокатке, главным образом это абразивная зачистка, вырезка дефектов (или обрезка дефектных участков полос), точение (обдирка), фрезерование. Искривленные полосы подвергают правке на ролико-правильных машинах. Дефекты структуры исправляются термообработкой. 81 5. ТЕХНОЛОГИЯ ТРУБНОГО ПРОИЗВОДСТВА 5.1. Способы производства труб Для изготовления металлических труб применяются четыре основных способа: − литье, − прокатка, − прессование и − сварка (или пайка). Качество труб, полученных тремя последними способами, значительно выше, чем литых труб, так как при обработке давлением свойства материала труб улучшаются. В этой главе будет рассмотрено производство бесшовных и сварных труб. Производство бесшовных труб включает горячую прокатку толстостенной гильзы (Рисунок 5.1, б) из слитка или заготовки (Рисунок 5.1, а) и последующую горячую прокатку трубы из этой гильзы (Рисунок 5.1, в). Первая операция выполняется на так называемых прошивных прокатных станах (в некоторых случаях для прошивки применяется пресс). Вторая операция выполняется трубопрокатными раскатными станами различных конструкций. Кроме указанных основных операций прокатки бесшовных труб, имеются еще дополнительные отделочные операции. Назначение этих операций — получение более ровной поверхности и более точных размеров труб, а также дальнейшее уменьшение толщины стенки и диаметра их. При производстве сварных труб исходным материалом служит прокатанная полоса, называемая штрипсом. Процесс изготовления труб в этом случае складывается из получения заготовки в виде свернутой полосы и последующей сварки шва. Трубы применяются как трубопроводы для передачи жидкостей и газов; для передачи тепла (жаровые, кипятильные, паропроводные и др.); для установок бурения (бурильные и др.). Они широко используются как конструкционный материал для изготовления машин (автотракторные, авиационные, велосипедные), деталей (шарикоподшипниковые) и т. д. Рисунок 5.1 - Основные технологические операции при прокатке бесшовных труб 82 5.2. Производство бесшовных труб В зависимости от физико-химических свойств исходного материала, сортамента труб и требований к их качеству горячую деформацию осуществляют разными способами, каждому из которых присущи свои особенности, достоинства и недостатки. Независимо от способа производства горячедеформированных труб, технологическая схема включает следующие общие элементы: − нагрев металла; − получение полой заготовки (гильзы) и черновой трубы (раскатка гильзы); − окончательное формирование стенки и диаметра трубы (редуцирование или калибрование). При этом перед каждой технологической операцией при необходимости проводят подогрев трубы. Технологические процессы производства горячедеформированных труб можно классифицировать по четырем основным способам получения гильзы, черновой трубы, удержания и типу применяемых оправок раскатного стана, а также окончательного формирования геометрических размеров трубы. 5.2.1. Получение гильзы В качестве заготовок для производства бесшовных труб используют круглые и граненые слитки, а также катаные заготовки. Процесс прокатки состоит из двух основных операций: прошивки отверстия в заготовке и прокатки прошитой заготовки. Прошивка осуществляется на прошивном стане. Прошивные станы по типу рабочих валков подразделяют на прошивные станы с бочкообразными валками (валковые), дисковыми валками (дисковые) и с грибовидными валками (грибовидные) (Рисунок 5.2 а, б, в). Валки прошивного стана установлены под углом 9 …14 º друг к другу. Заготовка продавливается через оправку, а из-за растягивающих напряжений, создаваемых вращающимися валками, происходит течение металла от центра слитка и за счет этого без больших усилий происходит прошивка отверстия. 83 Рисунок 5.2 - Прошивные станы 5.2.2. Получение черновой трубы (способ раскатки гильзы) Далее проводится прокатка полученной гильзы тоже на оправке, в результате уменьшаются внутренний и наружный диаметры и увеличивается длина заготовки. Прокатку выполняют за два прохода с поворотом трубы на 90°. Получают трубу диаметром свыше 57 мм. На третьем этапе получения трубы дальнейшее уменьшение их диаметров ведут в непрерывных станах уже без оправки. Для уменьшения диаметра труб, полученных после раскатных станов, применяют продольную прокатку без оправки в редукционных станах, которые состоят из ряда последовательно установленных двух-, трех- или четырехвалковых клетей. Станы работают с натяжением между клетями, что позволяет изменить не только диаметр трубы, но и толщину стенки. На редукционных станах обычно прокатывают трубы диаметром 25 − 76 мм. Производство бесшовных труб осуществляется на трубопрокатных агрегатах, представляющих собой комплекс машин и механизмов, предназначенных для получения бесшовных труб горячей прокаткой, их транспортирования, горячей и холодной отделки, складирования, упаковки и т. п. Таким образом, в состав трубопрокатного агрегата кроме прошивных, раскатных, редукционных (расширительных) станов входят нагревательные печи, обкатные и калибровочные станы, правильные станы, трубообрезные и трубонарезные станки и другое оборудование, необходимое для выполнения всех предусмотренных технологических операций. 5.2.3. Окончательное формирование геометрических размеров трубы. Окончательный размер готовой трубы обычно получают в непрерывных калибровочных или редукционных станах продольной прокатки, реже – в станах винтовой 84 прокатки. В трубопрокатных агрегатах с автоматическим станом (станом тандем) и реечным указанной операции предшествует обкатка трубы (риллингование в стане винтовой прокатки). В отдельных трубопрокатных агрегатах, специализирующихся по производству бесшовных труб большого диаметра, на финишных операциях возможно применение станов-расширителей. Операции получения гильз (прошивка) и чистовых труб (калибрование или редуцирование) присуши практически всем способам производства горячедеформированных труб, т.е. их можно сочетать с любым из способов получения черновой трубы (раскаткой гильзы в трубу). Поэтому указанные операции в значительной мере характеризуют технологические особенности и возможности трубопрокатного агрегата. Наиболее полно процесс производства горячедеформированных труб характеризуется способом получения черновой трубы (способом раскатки гильзы в трубу). Для раскатки гильзы существуют станы четырех типов: автоматический, непрерывный, пилигримовый и трехвалковый. По указанному способу агрегаты получают соответствующее название. В практике находят применение трубопрокатные агрегаты с автоматическими (станами тандем), непрерывными, пилигримовыми, раскатными станами винтовой прокатки, реечными, планетарными станами и трубопрофильными прессами. К наименованию трубопрокатного агрегата ТПА обычно добавляют цифры, характеризующие максимальный и минимальный диаметр прокатываемых труб, например ТПА 140; 250; 400 (цифры указывают максимальный диаметр труб, производимых на агрегате с автоматическим станом) или 4-10, 30-102, 50-200 (цифры - сортамент прокатываемых труб соответственно на агрегатах с пилигримовым (в дюймах), непрерывным и трехвалковым раскатным станами). 5.2.4. Пилигримовая прокатка Трубопрокатные агрегаты с пилигримовым станом, работающие с применением слитков, в силу недостаточно высокого качества труб и повышенного расходного коэффициента металла находят более ограниченное применение. Использование непрерывнолитой предварительно деформированной заготовки в сочетании с прогрессивными способами деформирования, несомненно, повысит область применения станов указанного типа. В настоящее время ТПА с пилигримовым станом специализируется в основном по производству труб нефтяного сортамента (обсадные и бурильные) и труб для нефтепроводов. Последние обычно изготовляют из кованой заготовки. Пилигримовая (пильгерная) прокатка относится к периодическим процессам и предназначена для производства труб с заданной толщиной стенки. В отличие от обычной продольной прокатки при пилигримовой прокатке радиус ручья валков переменный. Раскатка гильзы ведется на длинной цилиндрической закрепленной оправке – дорне. 85 5.2.5. Раскатка гильзы на автомат стане Продольная прокатка (раскатка) гильзы на автомат-стане - один из наиболее распространенных способов получения трубы с заданной толщиной стенки. Автомат-стан представляет собой обычную нереверсивную двухвалковую прокатную клеть. Гильза прокатывается в круглом калибре за два прохода на неподвижной короткой оправке, установленной между валками (Рисунок 5.3, а). После каждого прохода раскатанная гильза передается на переднюю сторону клети с помощью пары фрикционных роликов обратной подачи, смонтированных на задней стороне клети и вращающихся в противоположную по отношению к рабочим валкам сторону. В этот момент верхний валок немного приподнимают для передачи трубы на переднюю сторону стана, оправку после прокатки снимают и вновь устанавливают перед подачей гильзы на следующий проход. Рисунок 5.3 - Схема прокатки на автомат–стане (а) Рабочая клеть (Рисунок 5.4, б) имеет две станины закрытого или открытого типа с общей съемной крышкой. Подушки рабочих валков сделаны из литой стали с текстолитовыми вкладышами. Станы, предназначенные для прокатки труб малых диаметров, оборудованы роликовыми подшипниками. Перевод на подшипники качения позволяет повысить точность настройки стана, сделать ее стабильной и, как следствие, повысить точность труб по толщине стенки. Нижний рабочий валок и его опускание в рабочее положение производится клиновым механизмом. Мощность двигателя главного привода в зависимости от сортамента труб составляет 600-1900 кВт. Клеть оборудована передним и задним столами. На переднем столе смонтированы устройства для подачи гильзы-трубы в валки и кантовки ее после каждого прохода. Задний стол оборудован трубчатыми проводками и упором для закрепления стержня, на переднем конце которого установлена короткая коническая оправка. Валок устанавливают по высоте вручную продольными клиньями или нижними зажимными винтами. Положение верхнего рабочего валка регулируется двумя 86 нажимными винтами, которые приводятся во вращение от электродвигателя через цилиндрический редуктор и червячные передачи. Рисунок 5.4 - Схема прокатки на автомат–стане (б) Агрегаты с непрерывным станом в силу их значительной единичной мощности весьма перспективны для производства труб массового назначения. Применение таких станов в сочетании с непрерывнолитой заготовкой и прогрессивной технологией прошивки расширяет их технологические возможности, повышает конкурентоспособность. Раскатка гильзы в трубу на непрерывном многоклетевом стане - это процесс непрерывной продольной прокатки. Прокатку ведут на длинной цилиндрической оправке, что позволяет получать трубы большой длины (в два с лишним раза больше, чем, например, при прокатке на автомат-стане, где длина трубы ограничивается малой деформацией). Представлена схема прокатки на непрерывном трубопрокатном стане (Рисунок 5.5). Каждая клеть современного стана имеет индивидуальный привод, что позволяет регулировать режим натяжения. Двухвалковые клети расположены относительно друг друга под углом 90°. Таким образом, металл, находящийся в данной клети в выпусках калибров, попадает в вершины калибра следующей пары валков и т. д. При таком расположении клетей устраняется необходимость кантовки труб. В отечественных конструкциях клети устанавливают под углом 45° к горизонту (Рисунок 5.6). Вращение от двигателя передается через комбинированную шестеренную клеть и шпиндельные соединения. Общая мощность двигателей девятиклетевого стана составляет 8550 кВт. Все клети одинаковые, расстояние между ними 1150 мм; валки диаметром 530-550 мм, длиной 230 мм. На стане прокатывают трубы одного диаметра (108 или 110 мм) со стенкой толщиной от 3 до 8 мм. Станины рабочих клетей закрытого типа, рабочие валки смонтированы на конических четырехрядных роликовых 87 подшипниках, которые закреплены в подушках; уравновешивание валков пружинное. Нажимные винты верхнего и нижнего валков приводятся во вращение от одного электродвигателя через червячные редукторы. Предусмотрена возможность перемещения только одного верхнего валка. На входной стороне стана установлены механизмы для введения оправки в гильзу и подачи ее с оправкой в валки. Рисунок 5.5 - Схема прокатки на непрерывном трубопрокатном стане 88 Рисунок 5.6 - Непрерывный стан с наклонными рабочими клетями 89 Трубопрокатные агрегаты с трехвалковым раскатным станом специализированы по производству толстостенных труб (Рисунок 5.7). Указанным способом можно производить высокоточные трубы, что весьма важно для машиностроительных отраслей, в том числе подшипниковой промышленности. Более жесткие допуски по толщине стенки и наружному диаметру на трубы, производимые указанным способом, обеспечивают существенную экономию металла при последующей механической обработке. Дальнейшее совершенствование способа, позволяющее организовать производство труб с более высоким отношением DО/SО в еще большей мере расширит область применения указанного способа. Некоторые агрегаты, использующие непрерывнолитую круглую заготовку, имеют дополнительный передел на стадии получения гильзы - редуцирование ее по диаметру. Для этой цели устанавливают сразу же за прошивным станом (или элонгатором) 6-7клетевой стан продольной прокатки, обеспечивающий уменьшение диаметра трубы на 2025 %. В этом случае удается существенно расширить сортамент готовых труб при использовании непрерывнолитой заготовки одного номинального размера (диаметра), что значительно облегчает эксплуатацию машин непрерывной разливки. Основную массу составляют трубы, производимые на агрегатах с автоматическим (стан тандем), пилигримовым и непрерывным станами. Уровень автоматизации и механизации, а также график работы (непрерывный или прерывный) трубопрокатных агрегатов в различных странах неодинаков. Современные отечественные агрегаты имеют, как правило, более высокую часовую и годовую производительность. Это особенно заметно при сопоставлении агрегатов с трехвалковым раскатным и непрерывным станами. Рисунок 5.7 - Трехвалковый раскатной стан: а – схема прокатки; б – продольный разрез очага деформации 5.3. Производство труб на станах холодной прокатки труб 5.3.1. Производство труб на станах ХПТ Для различных машин и приборов требуются трубы с высоким качеством внутренней и внешней поверхностей, высокой точностью размеров стенки трубы и ее 90 формы. Такие трубы можно получать только холодной обработкой: прокаткой в холодном состоянии и волочением. Данные способы позволяют изготавливать трубы диаметром 0,5–250 мм и более при толщине стенки 0,1–20 мм и выше. Исходным продуктом при этом являются горячекатаные трубы или трубы, получаемые прессованием. Наибольшее распространение при производстве труб получили двухвалковые станы холодной прокатки труб с периодическим режимом работы клети. Трубы (Рисунок 5.8) прокатывают на неподвижной конической оправке 1, установленной в калибре валковых сегментов 2, укрепленных на рабочих валках 3. Ручьи выполнены с переменным радиусом, меняющимся по окружности сегмента от радиуса трубной заготовки (начальный размер) до радиуса готовой трубы (конечный размер). Такие валки устанавливают в клети на жесткой раме, совершающей возвратно-поступательное движение на расстояние Lкл по рельсам на катках. При рабочем ходе клеть с валками перемещается из положения I в положение II. Сегменты разворачиваются, радиус калибра между ними уменьшается, что обеспечивает обжатие заготовки по диаметру и толщине стенки. Периодическая подача трубы (обычно на 6–12 мм) в калибр, когда зазор между валками позволяет выполнить эту операцию, и ее поворот на 60о по окончании данного цикла прокатки производят специальными кулачковыми механизмами. По возвращении клети в первоначальное положение цикл повторяется. Рисунок 5.8 - Схема прокатки труб на стане ХПТ: 1 – оправка; 2 – калибр; 3 – валок; 4 – стержень; 5 – заготовка; 6 – труба Стан ХПТ состоит из рабочей клети, главного привода, механизмов подачи и поворота трубы, системы смазки и управления. Кинематическая схема (Рисунок 5.9). От электродвигателя 1 вращение через главный редуктор 2 передается на кривошипношатунный механизм 10, который сообщает рабочей клети 11 возвратно-поступательное движение. Одному полному обороту кривошипа соответствует двойной ход рабочей клети: в направлении выхода готовой трубы – прямой ход, в обратном направлении – обратный ход. Вращение валков 14 происходит с помощью ведущих шестерен 12, находящихся в зацеплении с неподвижными зубчатыми рейками 13. Угол разворота валков зависит от диаметра начальной окружности ведущей шестерни, параметров кривошипно-шатунного механизма. На действующих станах угол разворота составляет 91 157–214°. От главного редуктора 2 вращение передается на редуктор 3 кулачкового механизма 4 подачи и поворота. Этот механизм сообщает системе рычагов 5 прерывистое движение, которое передается винту 8 подачи и валу 9 поворота трубы. В крайнем заднем положении рабочей клети происходит подача и поворот трубы, в крайнем переднем положении - поворот ее. Механизм 7 предназначен для ускоренного отвода винта подачи, а механизм 6- для установки и отвода стержня крепления оправки. Типоразмер стана обозначают по максимальному наружному диаметру прокатываемой трубы. В промышленности в настоящее время эксплуатируются станы следующих типоразмеров: ХПТ32, ХПТ55, ХПТ75, ХПТ90. ХПТ.20 и ХПТ250. Рисунок 5.9 - Кинематическая схема стана холодной прокатки труб 5.3.2. Производство труб на станах ХПТР Прокатка труб в станах ХПТР осуществляется путем прокатки трубы-заготовки на цилиндрической оправке тремя или четырьмя роликами малого диаметра, смонтированными в сепараторе (от 30 до 180 мм), образующими круглый калибр. Профиль ручья роликов соответствует диаметру готовой трубы (рис. 5.10). Диаметр цилиндрической оправки соответствует внутреннему диаметру готовой трубы. Для станов ХПТР заготовкой являются трубы со станов ХПТ, волоченые и сварные, а также трубы со станов ХПТР более крупного типоразмера. Каждый пакет заготовок должен быть снабжен ярлыком с указанием марки стали, номера мартеновской плавки, номера пакета трубопрокатного или трубосварочного цеха, номера маршрута, номера пакета трубоволочильного цеха и размера труб. При холодной прокатке труб на станах ХПТР смазкой является смесь из 80% касторового масла и 20% цинковых белил. Способом роликовой прокатки изготовляют трубы наружным диаметром от 4 до 120 мм и с толщиной стенки от 0,03 до 3 мм. Роликовые станы используют в основном для прокатки тонкостенных и особотонкостенных труб из высоколегированных сталей и сплавов. 92 Общая относительная деформация трубы за один проход составляет 80—85% (до 95%), причем она достигается главным образом за счет уменьшения толщины стенки, так как по диаметру труба может быть уменьшена только на 2—4 мм, что является недостатком таких станов. Большим преимуществом этих станов является возможность изготовления особотонкостенных труб с малыми допусками. Рисунок 5.10 – Схема прокатки труб в стане ХПТР: 1 – ролики; 2 – прокатываемая труба; 3 – оправка; 4 – направляющая планка. Стрелкой показано направление движения планки при прокатке При малых диаметрах роликов уменьшается усилие прокатки; применение же трех или четырех роликов уменьшает глубину вреза ручья, что в совокупности увеличивает стойкость инструмента и способствует получению труб с высокими классами шероховатости (4—6-й) поверхности и малыми допусками по толщине стенки (±5— ±10%). Прокатка на станах ХПТР обеспечивает получение труб с отношением диаметра к толщине стенки 150:1 и более при одновременном высоком коэффициенте выхода годного. Основными средствами повышения производительности станов ХПТР являются увеличение числа двойных ходов при уменьшении массы подвижных частей, увеличение степени деформации путем удлинения рабочего хода клети, а также «перевод их на двухили трехниточную прокатку. Стан ХПТР состоит из рабочей клети, привода стана, подачи и поворота трубы, стола для заготовок с механизмом их загрузки и стола выдачи. Привод стана кривошипношатунного типа и механизмы подачи и поворота трубы имеют то же назначение, что и аналогичные механизмы валковых станов. Для обеспечения постоянства подачи заготовки в калибр, образованный роликами, имеется механизм подачи и поворота заготовки с мальтийским крестом. Величина подачи заготовки может быть изменена с помощью коробки скоростей. Рабочая клеть стана ХПТР отличается от рабочих клетей станов ХПТ по конструкции и принципу работы. Способ прокатки труб на станах ХПТР представлен ранее (рис. 5.10). Ниже рассмотрим подробнее конструкцию рабочей клети (рис. 5.11). 93 Рисунок 5.11 – Схема рабочей клети стана ХПТР Направляющие планки 5 с криволинейным профилем устанавливают в жесткой толстостенной втулке 6, внутри которой гасится усилие прокатки. Втулка монтируется в каретке 7. Каретка 7 с направляющими планками 5 движется возвратно-поступательно с помощью кривошипно-шатунного механизма 8 от главного двигателя. С противоположной стороны каретка связана с рычагом-кулисой 9 с помощью регулируемой по длине тяги 10. Рычаг 9 одним концом закреплен на неподвижной оси, вокруг которой совершает качательные движения при возвратно-поступательном движении каретки 7. Сепаратор 4 с роликами 3 также соединен с рычагом-кулисой 9 при помощи тяги 11. Точки крепления тяг сепаратора и каретки к кулисе расположены на таком расстоянии, что линейная скорость сепаратора примерно в два раза меньше, чем скорость каретки. Таким образом, при возвратно-поступательном движении рабочей клети каретка с направляющими планками и сепаратор с роликами получают относительное перемещение, что приводит к сближению роликов и обжатию трубы 1 на оправке 2. Рассмотрим особенности конструктивного исполнения некоторых станов ХПТР. Стан ХПТР8-15 может быть изготовлен с дополнительной рабочей клетью для прокатки труб, на наружной поверхности которых расположены три или шесть продольных ребер, повышающих жесткость готовой трубы. Высота ребер равна двойной толщине стенки трубы (при толщине стенки 0,2—0,5 мм); в составе стана может работать машина для скручивания труб с шагом 300—2500 мм. Стан ХПТР4-15 предназначен для получения тонкостенных, особотонкостенных и безрисочных труб диаметром 4—15 мм и с толщиной стенки 0,08—1,5 мм. Стан ХПТР415 отличается от стана ХПТР8-15 тем, что он оборудован дополнительной рабочей клетью 94 для прокатки труб диаметром 4—8 -мм. При прокатке труб диаметром менее 5 мм можно получать трубы с толщиной стенки 0,08—0,5 мм. Стан ХПТР15-30 (стандартный) может быть оснащен сменной валковой клетью для расширения сортамента прокатываемых труб с толщиной стенки более 0,9 мм. Валковая клеть позволяет прокатывать трубы из нержавеющей стали диаметром 14—20 мм с толщиной стенки от 0,5 мм и выше из заготовки диаметром 25—32 мм с толщиной стенки до 3 мм. Средняя производительность стана составляет 120 м/ч при суммарной вытяжке 2,5—8,5. Применение клети с неподвижной обоймой и подвижным сепаратором с рабочими роликами и опорными катками на стане ХПТР 15-30 ЮТМЗ при одновременном увеличении длины хода сепаратора с 245 до 450 мм позволило увеличить производительность стана на 25—30%; масса подвижных частей клети при этом уменьшилась с 580 до 300 кг, а степень деформации металла при прокатке труб из нержавеющих сталей увеличилась с 60 до 78%. Универсальный стан ХПТР15-30 может работать по трем технологическим схемам: прокатка особотонкостенных труб из заготовки длиной 5 м с вращением заготовки и малым или большим ее редуцированием; прокатка длинномерных тонкостенных труб из заготовки длиной до 20 м без вращения заготовки и малым ее редуцированием. 5.4. Производство сварных труб Удельный вес сварных труб в общем производстве труб непрерывно возрастает, что объясняется высокой технологичностью и экономической целесообразностью получения сварных труб при высоком их качестве. Сварные трубы изготавливают печной сваркой и электросваркой. 5.4.1. Производство труб печной сваркой Печной сваркой изготавливают трубы диаметром от 10 до 114 мм при толщине стенки 2–5 мм. Этот способ производства водогазопроводных труб является наиболее производительным. Трубосварочные станы обычно имеют 6–12 формовочно-сварочных двухвалковых клетей. После сварки трубы обрабатывают на многоклетьевых редукционных и калибровочных станах. Исходным продуктом при печной сварке труб являются штрипсы (ленты из низкоуглеродистой стали, содержащие обычно до 0,18 % С). Штрипс в рулонах с разматывателя подается в печь, где нагревается до 1230 – 1320 оС. По выходе из печи кромки штрипса обдувают воздухом, что повышает их температуру до 1390–1480 оС. Затем штрипс попадает в формовочно-сварочный стан с чередующимися горизонтальными и вертикальными консольными валками, имеющими ручьи. В первой вертикальной паре валков полоса сворачивается на угол 220–270 оС. Перед последующей парой уже горизонтальных валков проводят вторичный продув кромок штрипса воздухом, что повышает их температуру до 1500 оС. При этом сопло обеспечивает направление штрипса в сварочные валки, где кромки металла соединяются и свариваются. В 95 следующих валках создается усилие для протаскивания штрипса через печь и формовочные валки для дополнительного обжатия, улучающего качество сварного шва (Рисунок 5.12). Рисунок 5.12 - Схема формовки штрипса в трубу при непрерывной печной сварке: 1 – штрипс; 2 – первичная обдувка воздухом кромок; 3 – вертикальные формующие валки; 4 – горизонтальные сварочные валки; 5 – вторичная обдувка воздухом кромок Рассмотрим общую схему технологического процесса непрерывной печной сварки (Рисунок 5.13). Горячекатаный штрипс в рулонах 1 с помощью консольно-поворотного крана 2 устанавливают на разматыватель 3. С разматывателя штрипс поступает для правки на роликовую правильную машину 4. Каждый последующий рулон сваривают с концом предыдущего (перед сваркой концы рулонов обрезают на ножницах 5) на стыкосварочной машине 6. Для обеспечения непрерывного процесса сварки труб во время сварки концов штрипса создают петлю 7 между тянущими роликами, установленными за сварочной машиной и петлеобразователем 5. За этим петлеобразователем образуют вторую петлю 9, размер которой остается все время постоянным благодаря регулятору 10. Этим создается постоянное натяжение штрипса при нагреве его в печи 11 туннельного типа. После нагрева осуществляют формовку и сварку кромок штрипса на формовочно-сварочном стане 12 состоящем из 6-12 клетей с вертикальными и горизонтальными валками. Выйдя из формовочно-сварочного стана, труба поступает далее на редукционный стан 13. В зависимости от сортамента прокатываемых труб стан состоит из 10-14 клетей, в том числе 5-7 горизонтальных и 5-7 вертикальных. Редукционный стан позволяет использовать штрипс одной ширины и из него получать трубы различного диаметра. Обжатие трубы по диаметру в каждой клети 5-10 %. Затем на калибровочном стане 14 осуществляют калибровку трубы по наружному диаметру. Калибровочный стан состоит из трех клетей, из которых две крайние горизонтальные, а средняя - вертикальная. Клети формовочно-сварочного, редукционного и калибровочного станов унифицированы. Затем трубы разрезают на части летучей пилой 15, и они поступают на охладительный стол 16. После полного охлаждения трубы специальным распределительным устройством подают к станам холодной правки и далее на торцовку, гидравлическое испытание, нарезку концов, навертку муфт, окраску или оцинковку. 96 Рисунок 5.13 - Схема технологического процесса производства труб непрерывной печной сварки 5.4.2. Производство труб электросваркой В промышленности применяют несколько способов производства труб, в которых шов выполняют электросваркой. Одним из наиболее распространенных является способ получения труб контактной сваркой сопротивлением. В этом случае изготавливают трубы диаметром от 0,15 до 20 мм. Исходным материалом здесь служит холоднокатаная лента в рулонах или полосы, а для труб больших диаметров – листовая заготовка. Ленты и полосы свертываются в холодном состоянии в трубу в формовочных непрерывных двухвалковых станах дуо с числом клетей от 5 до 12 в зависимости от размера труб. Расположение валков в клетях обеспечивает последовательное формоизменение полосы в трубу (Рисунок 5.14). При выходе из последней клети стана трубная заготовка поступает в электросварочный агрегат, где специальными роликовыми электродами кромки трубы плотно прижимаются друг к другу и одновременно свариваются. Кроме описанного способа, применяют также электродуговую сварку, электролучевую сварку и т.д. Для некоторых видов труб при дуговой сварке с целью защиты металла сварочного шва от окисления используют газы: аргон, гелий и т.д. Общая схема производства выглядит следующим образом. Рисунок 5.14 - Последовательность процесса свертывания трубы из полосы в шести валках станы Электросварные трубы производят в поточной линии агрегатов. Все агрегаты стана по характеру технологических операций сгруппированы на трех основных участках: 1) подготовительной линии; 2) формовки, сварки и калибровки; 3) отделки труб. С разматывателя лента с помощью тянущих роликов поступает для правки на семиили девятироликовые лентоправильные машины. Передний конец выправленной ленты подается в гильотинные ножницы, где обрезаются смежные концы двух рулонов для ровного стыка их при сварке. Вслед за гильотинными ножницами установлена стыкосварочная машина дня контактной сварки оплавлением. На этой машине задний 97 конец предыдущего рулона ленты сваривается с передним концом последующего рулона. Вслед за сварочной машиной размещен петлеобразователь с передними и задними тянущими роликами. Создавая запас ленты определенной длины, петлеобразователь обеспечивает непрерывную работу формовочного и сварочного станов в период стыковки концов рулонов. После выхода из петлеобразователя полоса подается в дисковые ножницы, где обрезаются кромки в точном соответствии с требуемой расчетной шириной. Для обработки кромок применяется дробеструйная установка. На участке формовки, сварки и калибровки труб выполняются следующие технологические операции: формовка подготовленной ленты в трубную заготовку на непрерывном формовочном стане, сварка трубной заготовки в сварочном узле стана, удаление наружного грата, калибровка трубы по наружному диаметру, правка и разрезка на мерные длины. Формовочный стан состоит из последовательно расположенных клетей с горизонтальными валками. В зависимости от размера свариваемых труб стан имеет от 5 до 12 клетей с горизонтальными валками, приводимыми во вращение от общего привода. Только станы для получения труб большого диаметра (159-529 мм) имеют индивидуальный привод. Между клетями с горизонтальными валками устанавливают вертикальные неприводные валки. 98 6. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 6.1. Сущность процесса прессования Прессование – это один из наиболее прогрессивных процессов обработки металлов давлением, позволяющий получать деформированные изделия – профили, отличающиеся экономичностью и высокой эффективностью при использовании в конструкциях. Рассмотрим сущность процесса прессования (Рисунок 6.1). Заготовка (1), нагретая до температуры прессования, помещается в контейнер (2). С выходной стороны контейнера в матрицедержателе (3) размещается матрица (5), формирующая контур изделия (4). Через пресс-штемпель (7) и пресс-шайбу (6) на заготовку передается давление от главного цилиндра пресса. Под действием высокого давления металл истекает в рабочий канал матрицы, формирующий заданное изделие. Описанная схема относится к процессу прямого прессования. Кроме прямого, существуют еще такие виды прессования, как обратное, совмещенное, с боковым истечением, полунепрерывное, непрерывное и др. Рисунок 6.1 - Схема процесса прямого прессования Широкое развитие прессования объясняется благоприятной схемой напряженного состояния деформируемого металла – всесторонним неравномерным сжатием. В настоящее время прессованием получают несколько десятков тысяч наименований прессизделий из различных металлов и сплавов на прессах с номинальным усилием до 200 МН. При этом процесс ведут в широком интервале температур, выбор которых определяется главным образом величиной сопротивления деформации. Горячее прессование более распространено, чем холодное. Однако область применения последнего расширяется для металлов и сплавов, имеющих невысокое сопротивление деформации, с ростом производства высокопрочных инструментальных сталей и в результате создания высокопроизводительного специализированного оборудования. Прессование организовано как периодически повторяющийся процесс, однако в настоящее время нашли промышленное применение способы прессования в непрерывном и полунепрерывное режимах. Преимущества и недостатки прессования По сравнению с конкурирующими процессами, которыми в данном случае являются горячая сортовая прокатка и прокатка труб, прессование имеет определенные преимущества. 99 − Если при прокатке на многих участках пластической зоны возникают большие растягивающие напряжения, понижающие пластичность обрабатываемого металла, то при прессовании реализуется схема неравномерного всестороннего сжатия, позволяющая изготавливать различные пресс-изделия, вообще не получаемые прокаткой или получаемые, но за большое число проходов. Область применения прессования особенно расширяется, когда степени деформации за переход превышают 75%, а коэффициент вытяжки имеет значение более 100. − Прессованием можно получать изделия практически любых форм, а прокаткой – профили и трубы сравнительно простых конфигураций поперечного сечения. − При прессовании быстрее осуществляется перевод процесса получения одного типоразмера пресс - изделия на другой – достаточно только заменить матрицу. Пресс-изделия точнее по размерам, что обусловлено замкнутостью калибра матрицы. Точность изделия определяется качеством изготовления матрицы, ее материалом и видом термообработки. − Меньшие затраты на переналадку оборудования при прессовании позволяют рекомендовать его для производства любой серийности. − Высокие степени деформации при прессовании, как правило, обеспечивают высокий уровень свойств изделий. − Наряду с перечисленными преимуществами, прессование имеет следующие недостатки: − необходимость низких скоростей прессования, требующихся для получения бездефектной продукции из ряда металлов и сплавов; − низкий выход годного из-за больших технологических отходов, достигающих более 15 %, за счет необходимости оставления больших пресс-остатков и удаления слабодеформированного выходного конца пресс-изделия; − ограничение длины заготовки, обусловленное прочностью пресс-штемпелей, силовыми возможностями пресса и устойчивостью заготовки при распрессовке; − повышенную неравномерность деформации, влияющую на неравномерность распределения свойств в изделии по различным направлениям; − сравнительно низкую стойкость инструмента и его высокую удельную стоимость из-за тяжелых условий нагружения, а также необходимости использования для его изготовления дорогих легированных сталей. Сопоставление преимуществ и недостатков процесса позволяет прийти к выводу о том, что наиболее целесообразно применять прессование при производстве: а) толстостенных и тонкостенных профилей и труб сложной формы, прессуемых с высокими скоростями истечения; при обработке трудно-деформируемых и малопластичных металлов и сплавов; б) при получении полуфабрикатов сложной геометрии, повышенной точности размеров, а также для производства тонкой проволоки из металлов и сплавов, не подвергающихся волочению. Кроме того, прессование, в отличие от прокатки, рентабельно в среднем и мелкосерийном производстве. 100 6.2. Основные характеристики процесса прессования Одной из основных характеристик процесса прессования является коэффициент вытяжки λ, определяемый как отношение площади поперечного сечения контейнера Fк к площади поперечного сечения всех каналов матрицы Σfм: F (6.1)  к .  fM Помимо этого коэффициент вытяжки можно рассчитывать как отношение отпрессованой длины изделия L1 к длине заготовки L0 или как отношение квадрата периметра контейнера Пк к квадрату периметра матрицы Пм: L1 Пк2 .   2 L0 П М (6.2) Важной характеристикой является относительная степень деформации ε: F   fМ (6.3)  к  100% . Fк Коэффициент соотношением: вытяжки связан со степенью деформации следующим 1 . (6.4) 1  Приведенные формулы позволяют колличественно оценить степени деформации при прессовании, а так же подсчитать размеры заготовок для получения колличества пресс-изделий.  6.3. Теоретические основы процесса прессования 6.3.1. Особенности течения металла По характеру силовых и деформационных условий процесс прессования можно разбить на четырепоследовательные стадии. I стадия – распрессовка слитка в контейнере и заполнение металлом всего объема контейнера. II стадия – начало истечения, соответствующее выходу металла через канал матрицы с одновременным зонообразованием и потерей стойчивости металла. III стадия – условно установившееся течение, при котором происходит истечение основной массы металла. IV стадия – завершающее истечение, соответствующее началу прессования зон затрудненной деформации. Каждой стадии любого процесса прессования соответствует свой характер течения металла, который имеет решающее значение для прогнозирования закономерностей формирования структуры и свойств пресс-изделий. К основным факторам, влияющим на течение металла, относятся: 101 а) природа материала; б) способ деформирования; в) величина и направленность внешнего контактного трения на поверхности заготовки и инструмента, г) степень и скорость деформации и т.п . При прессовании обычно имеет место неравномерное течение металла, заключающееся в более интенсивном вытекании средних слоев заготовки по сравнению с наружными, что приводит к образованию в задней части прессованного изделия неплотности, называемой пресс-утяжиной. На характер течения металла, а следовательно, на пресс-утяжину влияют контактное трение, температура металла и контейнера, состояние поверхности контейнера и матрицы, длина заготовки, профиль матрицы, скорость и степень деформации, смазка. Установлено, что при длине заготовки, превышающей ее диаметр, характер течения металла и вид очага деформации полностью зависят от контактного трения, перепада температуры и смазки. Таким образом, изменяя тепловой режим прессования и условия трения металла о стенки контейнера и матрицы, можно изменять характер его течения, а также влиять на равномерность механических свойств изделия. На основании исследований С.И. Губкин выделяет три вида очага деформации(Рисунок 6.2). Рисунок 6.2 - Виды очага деформации при пресовании При первом виде очага (Рисунок 6.2, а) деформация сосредотачивается вблизи матрицы. Это происходит при обратном методе прессования, а также при прямом, если коэффициент трения не превышает 0,1–0,2 (за счет тщательной обработки стенок контейнера и применения качественной смазки) и если нет значительной неоднородности свойств самого деформируемого металла. Следует добавить, что распределение механических свойств по сечению пресс-изделия и его длине отличаются значительной однородностью. Второй вид очага деформации распространяется на всю длину заготовки, наблюдается при средних значениях коэффициента трения (0,2–0,4) и наличии лишь небольшой неоднородности механических свойств металла посечению. Течение внутренних слоев происходит с некоторым опережением внешних, т.е. появляются как бы два объема деформируемого тела внутренний V1 и внешний V2 (Рисунок 6.2, б). Благодаря 102 задерживающему влиянию трения о стенки контейнера и большей жесткости периферийных слоев металла внешние слои текут медленнее, чем внутренние. Третий вид очага деформации наблюдается при высоком значении коэффициента трения (более 0,4), что вызывает сильное торможение слоев металла, прилегающих к стенкам контейнера, а также при значительной жесткости внешних слоев заготовки по сравнению с внутренними. Очаг деформации при этом характеризуется высокой неравномерностью течения металла и состоит из трех объемов (Рисунок 6.2, в). Объем V1, расположенный непосредственно против матрицы, отличается наибольшей интенсивностью течения металла. Объем V2 по мере развития деформации течет от периферии к оси заготовки и создает пережим в первом объеме – возникают вихревые движения металла. Объем V3 примыкает к поверхности пресс- шайбы и определяет размер пресс-остатка. Прессование следует прекращать прежде, чем этот объем начнет поступать в пруток, иначе произойдет снижение качественных характеристик готового изделия. Длина объема V3 в конце прессования приближается к значению диаметра контейнера . Таким образом, наличие объема V3 увеличивает расход металла на производство единицы готового изделия, так как приходится прекращать процесс до перехода объема V3 в пруток. Кроме того, вихревые течения металла приводят к образованию прессутяжины. Изменяя условия прессования, можно уменьшать неравномерность механических свойств материала изделия и регулировать протяженность пресс-утяжины. Следует отметить, что при прессовании в местах перехода контейнера в матрицу появляются так называемые мертвые зоны, испытывающие только упругую деформацию (обозначены буквой М на рисунке 6.2). Течение металла в них отсутствует до тех пор, пока размер пресс-остатка не будет достаточно мал. Мертвые зоны при прессовании прутков большой длины выполняют функцию фильтров, задерживая различные загрязнения, тем самым предохраняя от вдавливания посторонних включений в поверхностные слои изделия. При неправильно выбранном размере пресс-остатка загрязнения мертвых углов могут попасть в изделие и вызвать заметное понижение его качества. Все это необходимо учитывать при разработке технологического процесса прессования. Опытным путем установлено, что минимальная высота пресс-остатка (не считая объема металла, остающегося в канале матрицы) для практически применяемых деформаций колеблется в пределах от 10 до 30 % от диаметра заготовки. Существуют следующие закономерности, относящиеся к величине пресс-остатка: 1) пресс-остаток уменьшается с уменьшением отставания периферийных слоев металла от внутренних; 2) пресс-остаток практически не зависит от начальной длины заготовки, если она превышает некоторую величину, при которой начинается интенсивное отставание периферийных слоев от внутренних; 3) при неизменных прочих условиях рост диаметра заготовки вызывает увеличение высоты пресс-остатка; 4) пресс-остаток возрастает при смазывании пресс-шайбы и уменьшается при торможении скольжения металла по пресс-шайбе. Образование пресс-утяжины резко уменьшается при обратном прес-совании из- за отсутствия перемещения заготовки в контейнере, что соответствует меньшему трению. 103 Однако этот вид прессования менее производителен, чем прямой. Уменьшение образования пресс-утяжины можно обеспечить за счет снижения трения на боковых поверхностях контейнера и матрицы посредством уменьшения шероховатости их поверхности и применения смазки, а также за счет нагрева контейнера, снижающего охлаждение периферийных слоев слитка. 6.3.2. Силовые условия прессования Определение силовых условий необходимо для выбора оборудования, расчета инструмента, установления энергетических затрат и других показателей. Основным показателем силовых условий прессования считают усилие прессования, равное усилию, необходимому для выдавливания металла из контейнера через отверстие матрицы. Экспериментально этот параметр можно определять на моделях или в производственных условиях путем натурных испытаний. Последний способ наиболее точный, однако, он трудоемок, дорог и для новых процессов часто невозможен. Моделирование горячих процессов связано с отступлением от натуры в температурном режиме. Причиной являются различия в удельных поверхностях модели и натуры, отсюда неточности этого способа. Наиболее распространенным и простым способом определения полного усилия прессования является измерение давления жидкости в рабочем цилиндре пресса по показаниям манометра. Применяют также метод упругих деформаций колонн пресса. Наиболее точные результаты при замере усилий дает метод тензометрии. Существует и аналитический способ определения усилия прессования по формулам И.Л. Перлина, согласно которым полное усилие пресса, необходимое для осуществления деформации: (6.5) P  RM  Tkp  TM  TП , где Rм – усилие для деформации металла без учета внешнего трения; Ткр – усилие для преодоления сил трения, возникающих на боковой поверхности контейнера; Тм – усилие для преодоления сил трения, действующих по боковой поверхности обжимающей части очага деформации; Тп – усилие для преодоления сил трения, возникающих на поверхности калибрующего пояска матрицы. Усилие пресса Рi, при котором идет прессование, отнесенное к единице площади сечения контейнера F0, называют удельным давлением истечения σ: P (6.6)  i . F0 Для подсчета составляющих усилия прессования по формуле (6.6) используют формулы, имеющиеся в справочниках для разных случаев прессования. Часто при расчете усилия прессования Р пользуются упрощенной формулой: P  Fз  М п  ln  , (6.7) где Fз - площадь заготовки; 104 Мп – модуль прессования, в котором учтены все условия прессования, кроме площади сечения заготовки и вытяжки λ. Величина усилия прессования зависит в основном от прочностных характеристик металла; степени деформации; профиля матрицы; размеров заготовки; условий трения; скорости прессования и истечения; температуры контейнера. 6.4. Оборудование для прессования В качестве оборудования для прессования наибольшее распространение получили прессы с гидравлическим приводом, которые отличаются простотой конструктивного исполнения и в то же время могут развивать значительные усилия. Скорость рабочего хода плунжера пресса легко регулируется изменением количества подаваемой в цилиндры жидкости. Прессы с механическим приводом от электродвигателя для прессования металла применяют реже. Прессы по назначению и конструктивному исполнению подразделяют на прутковопрофильные и трубопрофильные, по расположению – на вертикальные и горизонтальные. Трубопрофильные прессы оборудованы прошивной системой (независимым приводом иглы), прутково-профильные прошивной системы не имеют. По методу прессования прессы подразделяют на прессы для прямого и обратного прессования, а по усилию – на прессы малого (5–12,5 МН), среднего (15–50 МН) и большого (более 50 МН) усилия. В настоящее время на отечественных заводах по обработке легких и тяжелых цветных металлов и сплавов применяют вертикальные прессы усилием 6–10 МН и горизонтальные – 5–200 МН. Обработку сплавов на основе меди осуществляют на вертикальных прессах усилием 6–10 МН и на горизонтальных – усилием 10–50 МН. В мировой практик в той или иной мере используют вертикальные прессы усилием 3–25 МН, горизонтальные – 7,5–200 МН. Прессовая установка обычно состоит из: 1) пресса горизонтального и вертикального; 2) разделителя, направляющего в воду к прессу или аккумулятору; 3) насосов, подающих воду к прессу или аккумулятору; 4) аккумулятор высокого давления, служащего для регулирования давления и ускорения работы пресса; 5) аккумулятор низкого давления, обеспечивающего холостой ход пресса. Схема прессовой установки (Рисунок 6.3). Насос высокого давления (1) приводиться в движение двигателем (2) и подает воду по трубопроводу (3) к аккумулятору, состоящего из водяного баллона (5) и одного или нескольких воздушных баллонов (6). Вода, входящая в баллон (5), сжимает в нем и в соединенном с ним баллоне (6) воздух до рабочего давления 200 – 400 ат. Когда пресс (8) начинает работать, вода одновременно от насоса и от аккумулятора распределителем (7) подается под рабочим давление в пресс, который совершает работу. При обратном ходе пресса вода из цилиндра тем же распределителем (7) подается по трубе (4) в аккумулятор низкого давления (10) и по достижении необходимого давления подается по трубам (11) в бак (12) и далее в насос 105 (1). Обратный ход пресса совершается водой низкого давления, поступающей из аккумулятора (10) по трубе (9). Рисунок 6.3 - Схема прессовой установки Вертикальный гидравлический пресс (Рисунок 6.4); готовое изделие выходит в подвал под прессом. Рисунок 6.4 - Вертикальный гидравлический пресс Вертикальные прессы имеют ряд преимуществ перед горизонтальными. Благодаря небольшому ходу главного плунжера вертикальные прессы по числу прессовок в час значительно превосходят горизонтальные. Вследствие вертикального расположения движущихся частей эти прессы легче центрируются, что позволяет получать на них трубы с меньшей разностенностью. Лучшие условия для работы со смазкой контейнера и конусными матрицами в сочетании с более высокими давлениями дают возможность прессовать трубы с более тонкими стенками. 106 Однако горизонтальные прессы получили большее распространение благодаря высокой производительности, возможности прессования более длинных изделий, изделий большого поперечного сечения, а также благодаря простоте автоматизации (Рисунок 6.5) Рисунок 6.5 - Схема гидравлического горизонтального пресса Принципиальные схема гидравлического горизонтального пресса: 1 - рабочий цилиндр; 2 - плунжер; 3 - ползун; 4 - инструмент; 5 - станина; 6 - кривошипный вал; 7 шатун; 8 - фрикционная передача; 9 - шпиндель; 10 - ножницы; 11 - выдвижной стол. На заводах по обработке сплавов цветных металлов эксплуатируются как отечественные, так и прессы ряда зарубежных фирм. В соответствии с технологией прессования гидравлический пресс должен иметь вспомогательные механизмы, используемые для выполнения таких операций, как подача слитка в нагревательную печь, отрезка пресс-остатка и его уборка, транспортировка отпрессованных прутков и их отделка, а при необходимости и термическая обработка. Характерным для современных прессов является их полная механизация и автоматизация с программным управлением выполнения основных и вспомогательных операций, начиная от подачи заготовки в нагревательную печь, самого процесса прессования и кончая уборкой готовых изделий. Прессовый инструмент Успешное выполнение прессования во многом зависит от качества и стойкости инструмента. Прессовый инструмент (контейнер, матрицы, иглы, пресс-шайба, иглодержатель, матрицедержатель) работает в очень тяжелых условиях при температурах, достигающих (например, в процессе прессования стали) 1000–1250 0С. При этом напряжения на отдельных участках инструмента достигают больших значений: в прессшайбе и контейнере они могут превышать 1500 МПа. Для изготовления прессового инструмента применяют высококачественные легированные стали: 5ХНВ, 5ХНМ, ОХН4М, 3Х2В8, 4ХВ2С , 5ХВ2С и др. Рассмотрим один из видов инструмента – матрицу, которая при прессовании обеспечивает получение требуемых размеров профиля и качество его поверхности. Матрица работает в исключительно тяжелых условиях: высокие температуры и удельные усилия при минимальных возможностях смазки и охлаждения. По количеству отверстий матрицы бывают одно- и многоканальными. Количество отверстий в матрице определяется видом изделия и необходимой производительностью пресса. Наибольшее 107 распространение получили конические матрицы с одним конусом (Рисунок 6.6). Практикой установлено, что оптимальный угол конуса составляет 60–100о. С ростом угла конуса появляются мертвые зоны, уменьшающие возможность попадания в изделие загрязненных частей слитка. Рисунок 6.6 - Сечение типовой матрицы; 1 – калибрующий поясок Окончательные размеры изделие получает при прохождении через калибрующий поясок, длина которого определяется видом прессуемого металла. Часто для повышения срока службы матрицу делают разъемной, а поясок выполняют из твердых сплавов, например победита. Оборудование и инструмент для прессования постоянно совершенствуются, что позволяет повышать эффективность данного вида обработки металлов давлением. 6.5. Способы прессования Существует достаточно большое количество схем прессования, но основными из них следует считать прямое и обратное. Эти схемы и будут рассмотрены ниже. При прямом прессовании направление выдавливания изделий совпадает с направлением движения пресс-штемпеля. Этот способ прессования наиболее распространен и позволяет получать сплошные и полые изделия в широком диапазоне размеров, вплоть до размеров изделия, близких к размеру контейнера. Особенность способа – обязательное перемещение металла заготовки относительно неподвижного контейнера. Прямое прессование дает возможность получать изделия с высоким качеством поверхности, поскольку при прессовании этим способом у матрицы образуется большая по высоте упругая зона металла, практически исключающая попадание дефектов из зоны контакта заготовки с контейнером на поверхность изделия. В результате сил трения на поверхности заготовки появляются высокие сдвиговые деформации, способствующие обновлению слоев металла, формирующих периферийные зоны профиля. Однако при прямом прессовании необходимы высокие затраты энергии на преодоление трения металла о поверхность инструмента. В отдельных случаях доля усилия, затрачиваемая на это, может достигнуть 40–60 % от полного усилия прессования. Кроме того, большая неравномерность деформации на протяжении всего процесса приводит к неравномерности структуры и механических свойств пресс-изделий. Низкий выход годного из-за большого пресс-остатка и большой обрези слабодеформированной части выходного конца пресс-изделия также является недостатком прямого прессования. 108 При обратном прессовании истечение металла в матрицу происходит в направлении, противоположном движению пресс-штемпеля. Одна из схем обратного прессования (Рисунок 6.7): металл выдавливается из неподвижного контейнера 2, закрытого заглушкой, пресс-шайбой 3 через матрицу 4. Передача усилия от приводного гидроцилиндра осуществляется на полый матрицедержатель 5. Рисунок 6.7 - Схема обратного прессования При обратном прессовании слиток не перемещается относительно контейнера и общее усилие прессования снижается из-за отсутствия затрат энергии на преодоление сил трения между контейнером и прессуемым металлом . К достоинствам обратного прессования можно отнести снижение усилия прессования, позволяющее увеличивать коэффициент вытяжки и уменьшать температуру прессования, и повышение скорости истечения металла из-за большой равномерности его течения по сечению очага деформации, а следовательно, и увеличение производительности процесса. Этот способ дает возможность формировать, вследствие монотонного характера истечения металла, равномерную структуру и механические свойства пресс-изделий. Обратное прессование характеризуется ростом выхода годного за счет уменьшения толщины пресс-остатка и снижения глубины распространения пресс-утяжины в изделие, а также увеличением срока службы контейнера из-за неподвижного контакта с заготовкой. Однако при этом виде прессования наблюдается уменьшение возможного поперечного размера пресс-изделия и числа одновременно прессуемых изделий по сравнению с прямым прессованием из контейнера того же размера, в связи с сокращением размера проходного отверстия в матричном блоке. Кроме того, для получения профилей с хорошим качеством поверхности необходимо применять заготовки с хорошим состоянием поверхности, что достигается предварительной обточкой, скальпированием заготовок или отливкой слитков в электромагнитном кристаллизаторе. И, наконец, при обратном прессовании ограничивается номенклатура пресс-изделий из-за недостаточной прочности удлиненного матричного узла, а та кже увеличивается стоимость гидропрессов и вспомогательного времени цикла. Многоканальное прессование Этот вид прессования ведут через многоканальную матрицу с числом каналов от двух до двадцати, а иногда и более. К основным отличиям рассматриваемого способа от прессования через одноканальную матрицу относят: а) уменьшение средней длины пресс-изделий пропорционально числу каналов; 109 б) сокращение длительности процесса прессования; в) уменьшение полного давления прессования из-за возрастания суммарного поперечного сечения всех каналов и, следовательно, уменьшения общей вытяжки; г) снижение теплового эффекта деформации из-за уменьшения общей вытяжки; д) увеличение контактной поверхности в каналах матрицы. В связи с этим многоканальное прессование применяют тогда, когда возможен рост производительности; номинальное давление пресса многократно превышает необходимое для прессования одной нитки; когда желательно ограничение роста температуры металла в пластической зоне в процессе прессования, а также при получении профилей с очень малой площадью поперечного сечения. Описываемый вид прессования характеризуется средней вытяжкой λср: F (6.8) cp  з ,  Fиз где Fз – сечение заготовки после распрессовки; Fиз – сечение пресс-изделия. 6.6. Прессование труб В практике прессования используют следующие виды прессования труб: прессование из полой заготовки, прессование из сплошной заготовки с прошивкой и прессование труб с использованием комбинированной матрицы. При прессовании из полой заготовки, осуществляемом прямым или обратным методом (Рисунок 6.8), формирование стенок трубы происходит в кольцевом зазоре между матрицей (4) и иглойоправкой (2). Полость в заготовке перед прессованием выполняют, например, отливкой полой заготовки, высверливанием и т.п. В случае использования трубопрофильных прессов, имеющих прошивную систему, осевая полость в заготовке выполняется подвижной иглой, а далее прессование ведется аналогично первому способу. Рисунок 6.8 - Схема прессования с прямым (а) и обратным (б) истечением: 1 – контейнер; 2 – игла; 3 – труба; 4 – матрица; 5 – пресс-штемпель; 6 – заглушка 110 7. ТЕХНОЛОГИЯ ВОЛОЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 7.1. Сущность процесса волочения При волочении заготовку протягивают через отверстие инструмента, сечение которого меньше сечения протягиваемой заготовки (Рисунок 7.1). Сила Р, прикладываемая к переднему заостренному концу проволоки, введенному в волоку, называется силой волочения. Под действием указанной силы заготовка, протягиваясь через волоку, деформируется и принимает форму и размеры наименьшего сечения канала. В результате площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина – увеличивается. Форма и размеры сечения изделия при волочении прутков, проволоки, профилей сплошного сечения и труб без утончения стенки определяются только конфигурацией и размерами калибрующей зоны канала волоки. Волочением обрабатывают самые различные материалы: сталь, алюминий, медь, никель, титан и сплавы на их основе; тугоплавкие металлы и их сплавы, а также благородные металлы и сплавы на их основе. Получаемые волочением полуфабрикаты представляют собой круглую проволоку диаметром 0,008–17 мм; проволоку квадратного, прямоугольного, шестиугольного и других сечений ; прутки круглые, квадратные, шестигранные, трапециевидные и других форм; трубы круглые диаметром 0,3–500 мм со стенкой толщиной 0,05–25 мм, овальные, прямоугольные и др. Кроме того, этим способом обработки давлением можно получить фасонные профили с различной формой поперечного сечения и самых разных размеров. Рисунок 7.1 - Схема процесса волочения 7.2. Основные характеристики процесса волочения При волочении используют следующие показатели деформации: коэффициент вытяжки, относительное обжатие, относительное удлинение, интегральную (логарифмическую) деформацию. Коэффициент вытяжки λ показывает, во сколько раз увеличилась длина или уменьшилась площадь поперечного сечения изделия за переход волочения: L F  1  1, (7.1) L0 F0 111 где L0, F0 – соответственно, длина и площадь сечения заготовки до волочения; L1, F1 – после волочения. Относительное обжатие ε – это отношение уменьшения площади поперечного сечения изделия за переход волочения к ее начальному значению: F F (7.2)   0 1  100% . F0 Относительное удлинение δ – отношение увеличения длины изделия к её начальному значению: L L (7.3)   1 0  100% . L0 Интегральная (логарифмическая) деформация – натуральный логарифм соотношения площадей поперечного сечения изделия до и после перехода волочения: F i  ln  0  F1  .  (7.4) Или  1  (7.5) i  ln   ln    ln   1 . 1   Сила волочения Рв – это продольная сила, приложенная к протягиваемому металлу у выхода его из волоки. Если силу волочения отнести к площади поперечного сечения изделия на выходе из волоки Fк, то получим напряжение волочения σв. Напряжение волочения должно быть меньше сопротивления деформации металла в его состоянии после волочения σд.к. В противном случае пластическая деформация может происходить и после выхода металла из волоки. Это приведет к искажению формы поперечного сечения изделия после волочения, и в конечном счете может произойти его обрыв. Поэтому при волочении обязательно должно соблюдаться условие P  в  в   д.к . (7.6) Fк Условия волочения без обрывов записывается следующим образом  jз  д.к , в (7.7) где jз – коэффициент запаса. На практике коэффициент запаса обычно меняется от 1,35 до 2,0 (иногда до 2,5). При этом, чем тоньше изделие и выше требования к качеству его поверхности и точности размеров, тем коэффициент запаса должен быть больше. Поэтому максимальной величины jз достигает в последнем калибровочном проходе, в котором изделию придается окончательная форма и размеры. На силу и напряжение волочения влияют многие факторы: степень деформации за переход; прочностные свойства протягиваемого металла; геометрия продольного профиля канала волоки; трение на контактных поверхностях деформируемого металла и инструмента; форма конечного и начального поперечного сечений изделия; противонатяжение; вибрация инструмента. 112 7.3. Теоретические основы процесса Рассматривая процесс волочения (Рисунок 7.2), можно видеть, что взаимодействие деформируемого тела с волокой характеризуется наличием трения скольжения по всей контактной поверхности. Это существенно влияет на силовые условия процесса, вызывает неравномерное распределение деформации по диаметру протягиваемого прутка. В любом слое, находящемся на некотором расстоянии от центрального, как указывает С. И. Губкин, элементы слоя испытывают не только растяжение, но и деформацию дополнительного сдвига, а также деформацию изгиба, причем тем большую, чем дальше слой удален от оси протягиваемого прутка. В процессе волочения силы трения оказывают задерживающее действие на поверхностные слои прутка, что наряду с влиянием других факторов создает условия для появления разности продольных скоростей по сечению деформируемого тела. Однако ввиду целостности прутка и сдерживающего действия его внешних, недеформируемых в данный момент участков скорости течения периферийных и центральных слоев, как показали опыты И. К. Суворова и др., принудительно выравниваются. Вследствие этого появляются растягивающие напряжения в поверхностных слоях и сжимающие в центральных. Рисунок 7.2 - Схема процесса волочения: 1 – волока; 2 – пруток Возможность протягивания прутка через отверстие волоки ограничивается предельными условиями: усилие волочения Q не должно вызывать в переднем конце прутка пластической деформации, иначе передний конец будет иметь остаточную деформацию, и в результате произойдет его разрыв. По этой причине волочение горячего металла или металла с малым пределом упругости может быть ограничено из-за уменьшенной прочности переднего конца прутка. Поскольку прилагаемое усилие волочения к переднему концу прутка определяется податливостью металла пластическому деформированию, величиной контактных сил трения и площадью соприкосновения прутка с волокой, то, следовательно, для данной геометрии волочильного очка усилие волочения будет тем выше, чем больше степень деформации и больше контактные силы трения. Это ограничивает практические значения единичной вытяжки λ, которые чаше всего составляют 1,2-1,3 и редко поднимаются до 1,5. Наряду с применением высококачественной смазки контактных поверхностей, без чего выполнение процесса волочения весьма затруднено, большой эффект в увеличении 113 вытяжки может дать противонатяжение, т.е. приложенное усилие к заднему концу прутка. Противонатяжсние снижает сопротивление металла деформации, уменьшает влияние внешнего трения и, следовательно, уменьшает разогрев волок, а в конечном итоге обеспечивает увеличение вытяжки λ. Большое влияние на условия волочения оказывает выбор профиля волочильного отверстия, а также применение вращающихся и подвижных волок. Если обычную волоку заставить вращаться вокруг оси протягиваемого прутка, то это заметно снизит усилие волочения. Еще большего эффекта можно достичь при замене обычной волоки роликовой. При этом резко снижаются сопротивление деформированию и сопротивление трению. Вытяжка в данном случае может возрасти до 4-5, а то и выше. К сожалению, применение роликовых волок ограничено из-за их конструктивной сложности. 7.4. Оборудование для волочения Машины для волочения называют волочильными станами. Их основными элементами являются волочильный инструмент и тянущее устройство. Станы могут быть с прямолинейным движением протягиваемого металла и с наматыванием на барабан. Станы с прямолинейным движением протягиваемого металла. Первый тип машин применяют для волочения профилей, сматывание в бунт которых вызывает определенные трудности из-за больших площадей сечения или возможности нарушения формы сечения. Основной вид такого оборудования – цепные волочильные станы (Рисунок 7.3). Рисунок 7.3 - Цепной волочильный стан В станине 1 укреплены два цепных барабана 4 и 2, на которые накинута бесконечная цепь 3. По наклонным направляющим станины перемещается тележка 6, на которой укреплены крюк 5 с противовесом 7 и зажимное приспособление в виде клещей 8. К передней стойке стана прикрепляется инструмент 9. Для начала работы на стане необходимо конец прутка обжать таким образом, чтобы он прошел че рез отверстие инструмента (волоки) и был захвачен губками клещей. При работе барабан 4 получает вращение от электродвигателя через редуктор. Крюк тележки накидывается на один из пальцев звена цепи, которая при перемещении будет передвигать тележку. При этом клещи, зажимая пруток 10, протягивают его через отверстие волоки. В крайнем правом положении тележки крюк будет вытолкнут из звена цепи зубом барабана 4; противовес 114 приподнимет крюк, клещи разожмутся, и тележка, будучи установленной на наклонных направляющих, переместится влево для повторения цикла. Станы барабанного типа делят на станы однократного и много-кратного волочения (Рисунок 7.4). Бунт проволоки 2 одевается на холостой барабан 1. При работе станов проволока протягивается через одну (Рисунок 7.4, а ) или ряд последовательных волок 3–6 (Рисунок 7.4, б). Барабаны 7–9 тяговые, на каждый из них наматывается 2–3 витка проволоки для создания тягового усилия. Протянутая проволока поступает на приемный барабан 10. На цепных станах возможно получение изделий ограниченной длины (обычно не более18 м), на барабанных станах длина протягиваемого изделия может достигать сотен метров, поэтому скорости волочения на барабанных станах в 10 и более раз выше, а отходы металла на захватки и концевую обрезь значительно ниже. Рисунок 7.4 - Барабанные станы однократного (а) и многократного (б) волочения Однако при волочении с навивкой на барабан требуются дополнительные силы для изгиба протягиваемого изделия, которые тем больше, чем меньше диаметр барабана и больше сечение изделия. Кроме того, при волочении фасонных, особенно тонкостенных профилей и труб, в процессе навивки на барабан возможно искажение формы поперечного сечения протягиваемого изделия. Поэтому станы барабанного типа применяют в основном для волочения прутков диаметром не более 12 мм и труб диаметром не более 50 мм при минимальной толщине стенки 3 мм. При уменьшении толщины стенки до 1,5 мм диаметр трубы не должен превышать 25 мм. Для остального сортамента изделий применяются станы линейного волочения. Инструмент для волочения Для получения продукции волочения, называемой тянутыми изделиями, используются специализированное оборудование и инструмент. Основной инструмент для волочения – это волоки разнообразной конструкции. При получении волочением полых изделий к волочильному инструменту относятся также оправки. Волока обычно включает обойму 1 и собственно волоку 2 (Рисунок 7.5). Волочильный канал состоит из пяти зон: входной I, обжимающей II, переходной III, калибрующей IV и выходной V. Из этих пяти зон в контакте с деформируемым металлом в процессе волочения находятся только три: обжимающая, калибрующая и 115 очень короткая переходная между ними. Поэтому на силу и напряжение волочения оказывает влияние продольный профиль только этих зон, который представляет собой ломаную линию из двух участков: наклонного к оси и параллельного ей, соединенных радиусным переходом. Совокупность этих зон часто называют деформационной зоной. Следует также отметить, что в обжимающей зоне осуществляется основная деформация заготовки при волочении, а в калибрующей зоне сечению заготовки придаются окончательная форма и размеры. Особенно заметно на силу и напряжение волочения влияет угол наклона образующей обжимающей зоны к оси канала волоки, или угол волоки α (Рисунок 7.6). Рисунок 7.5 - Волока в обойме I – V – зоны волочения Рисунок 7.6 - Зависимость напряжения волочения Кв от угла волоки α Существует зона оптимальных углов, при которых сила и напряжение волочения имеют минимальные значения. Увеличение α (сверх оптимальных значений) приводит к уменьшению контактной поверхности металла с волокой, что снижает силу трения и силу волочения. Одновременно повышается давление металла на поверхность волочильного канала, выжимается смазка из деформационной зоны, растет коэффициент трения и усилие волочения. Кроме того, на преодоление дополнительных сдвигов из-за увеличения степени деформации требуется дополнительная сила. При значениях α меньше оптимальных увеличивается контактная поверхность металла с волокой, т.е. растет сила трения, но снижается степень деформации. 116 Наличие двух групп факторов, оказывающих противоположное влияние на силу волочения, и обусловливает существование зоны оптимальных углов, которая обычно находится в интервале от 5 до 18о. Для изготовления волок используют три группы материалов: сталь, твердые сплавы и алмазы. Для стальных волок в зависимости от характеристики протягиваемого материала применяют стали трех групп: нелегированные марок У8-У12; хромомолибденовые марок Х12М; инструментальные разных марок: ШХ15, 40Х5Т и т.д. Твердосплавные волоки получают порошковым методом, используя сплавы на основе карбидов вольфрама или титана с кобальтом в качестве связующего материала. Они обладают очень большой прочностью на сжатие и изгиб и высоким пределом упругости. Твердость и износостойкость таких волок значительно выше, чем стальных. Для изготовления волок рекомендуют следующие марки твердых сплавов: ВК3, ВК3М, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8. 7.5. Технология волочения прутков и проволоки В качестве исходного материала для волочения обычно служит прокатанный в горячем состояния металл, имеющий на поверхности окалину. Окалина обладает высокой твердостью и вызывает быстрый износ волочильного инструмента, поэтому она перед волочением удаляется с поверхности металла механическим, химическим или электрохимическим способами. Для уменьшения потерь на трение, достигающих 50% от общего усилия, волочение производят с применением смазок. Смазка должна быть прочной, противостоять выдавливанию, хорошо смачивать металл, не должна ухудшать состояние поверхности металла и быть дешевой. К сухим смазкам относятся мыла; к полутвердым - тавот и мазут, смешанные с известью, и др. (полутвердые смазки применяют главным образом при волочении прутков). Жидкие смазки употребляются в тех случаях, когда требуется получить проволоку со светлой поверхностью. В состав жидких смазок входят: мыло, минеральное масло, вода, сало, мука, серная кислота, медный купорос, графит и др. При волочении стальной проволоки с успехом применяется фосфатирование погружением в 3% - ный раствор дигидроорто-фосфатов марганца и железа. В результате фосфатировання на поверхности металла образуется прочная пленка из фосфатов марганца и железа, которая обеспечивает стойкое покрытие смазкой. Наибольшее распространение при волочения получили: из твердых смазок натронное мыло, а из жидких — смесь масла с графитом. При волочении труб в качестве смазки применяют торфяное сало, активированное машинное масло и др. Средний расход мыльного порошка при волочении составляет 1,5 кг на 1 г проволоки. Для снятия наклепа и придания металлу необходимых структуры и свойств, применяют термическую обработку. К термообработке, предшествующей волочению, относятся рекристаллизация (отжиг), нормализация, закалка с отпуском, патентирование. 117 При патентировании проволока нагревается выше критической точки Ас3, затем охлаждается в расплавленных свинце или в солях, при температуре в пределах 450—550° или на воздухе. К термообработке, сопутствующей волочению, относятся разогрев металла вследствие деформации и действия сил трения. Волочение трудно деформируемой стали иногда производится в подогретом состоянии, причем температура подогрева достигает 300°. Осваиваются, как уже отмечалось ранее, и специальные способы горячего волочения с охлаждением металла при выходе из волоки. Окончательная термообработка готового продукта применяется с целью придания металлу необходимых свойств и структуры. При производстве труб, проволоки и прутков ответственного назначения (как, например, серебрянки) большое значение имеют отделочные операции: правка, шлифовка, полировка, резка. Трубы и прутки после протяжки их на цепных станах, а также проволока, смотанная в мотки, получаются искривленными. Для выпрямления они подвергаются правке на правильных станах (причем толстая проволока одновременно с правкой может разрезаться на прутки длиной 1,5—3 м). Риски, раковины, рябизна и пр. значительно ухудшают механические свойства металла. Для удаления указанных дефектов металл подвергается шлифовке на специальных шлифовальных станках. Для улучшения поверхности, антикоррозионных свойств и увеличения сопротивления знакопеременной нагрузке прутковый материал подвергают полировке на полировальных машинах. В полировальных машинах одновременно происходит и более совершенное выпрямление прутков. Отрезка концов у прутков и труб и разрезка прутков на мерные длины производятся на ленточных и дисковых пилах. 7.6. Технология волочения труб При волочении труб обычно изменяются не только диаметр, как при волочении проволоки и прутков, но и толщина стенки. Существуют безоправочное волочение и волочение труб на оправке. При безоправочном волочении (Рисунок 7.7) толщина стенки трубы может увеличиваться и уменьшаться по сравнению с исходной в зависимости от параметров волочения и главным образом от степени деформации. Однако для тонкостенных труб, у которых отношение толщины стенки трубы к наружному диаметру меньше 0,1, во всех случаях стенка трубы увеличивается. Безоправочное волочение алюминиевых и медных сплавов в основном применяют для изготовления труб малого диаметра, а также в качестве отделочных переходов, цель которых – получение труб с жесткими допусками по диаметру. Заготовку для этого процесса обычно получают холодной прокаткой труб или волочением с оправкой. Безоправочное волочение обычно осуществляют в две волоки, первая из которых служит для центровки трубы, а во второй осуществляется основное обжатие трубы по диаметру. Волочение на оправке. При волочении труб с утонением стенки металл 3 деформируется в кольцевом зазоре между волокой 1 и оправкой 2 ( Рисунок 7.8). 118 Рисунок 7.7 - Безоправное волочение трубы Рисунок 7.8 - Волочение трубы на оправке Волочение алюминиевых и медных сплавов после прокатки в последние годы ведут преимущественно бухтовым методом на станах барабанного типа, которые позволяют значительно увеличить длину обрабатываемых труб, скорости волочения и выход годного. Волочение на цепных линейных станах используют только для обработки труб большого диаметра (более 40–50 мм), особотонкостенных труб, а также при производстве труб малыми партиями, когда обработка бухтовым способом нерациональна. Растущая потребность промышленности в тянутых изделиях, отличающихся от катаных и прессованных высокими качеством поверхности и точностью размеров, диктует неуклонный рост этого вида производства длинномерной продукции. 119 8. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК 8.1. Назначение ковки При ковке деформация металла осуществляется многократным и прерывистым воздействием универсального инструмента – бойков, один из которых (верхний) крепится к подвижному органу кузнечной машины (бабе молота или ползуну пресса), а второй (нижний) закрепляется на шаботе молота или столе пресса. В связи с этим бойки называют закрепляемым инструментом. Верхний боек совершает возвратнопоступательные перемещения, нижний – большей частью неподвижен. Для разделения элементов поковки и выполнения поковок сложной конфигурации используют также вспомогательный инструмент (топоры, обжимки, раскатки, прошивни и т.п.), на который при ковке тоже воздействуют бойками. При ковке течение металла происходит в направлениях, не ограниченных поверхностями инструмента. Ковка применяется в мелкосерийном, а также в индивидуальном производстве. Этим способом получают поковки весом от нескольких килограмм до 300т и более, например, валы гидрогенераторов, турбинные диски и др. Величина деформации при ковке может быть выражена либо относительным изменением площадей поперечного сечения: F  F1 , (8.1) u 0 F1 либо коэффициент уковки F у 0, F1 (8.2) где F0 – большая площадь поперечного сечения; F1 – меньшая площадь поперечного сечения. Коэффициент уковки всегда больше единицы. Уковка показывает, во сколько раз изменилось поперечное сечение заготовки в процессе ковки, т.е. характеризует степень прокованности металла (распределение деформации по объему), так как чем больше изменено поперечное сечение металла, тем он лучше прокован и, следовательно, выше его механические свойства. 8.2. Основные операции ковки Процесс ковки можно разделить на элементарные операции. Рассмотрим основные из них. Биллетировка слитка – операция обжатия ребер заготовки для придания ей формы тела вращения. При этом одновременно со снятием конусности слитка разрушается литая дендритная структура и устраняются другие дефекты литого металла (Рисунок 8.1). 120 Рисунок 8.1 - Биллетировка слитка Осадка – процесс уменьшения высоты заготовки с одновременным увеличением площади поперечного сечения (Рисунок 8.2). При этом процессе на боковой поверхности цилиндрической заготовки в результате воздействия на контактную поверхность сил трения наблюдается бочкообразование, которое тем больше, чем больше коэффициент трения μ на контактной поверхности. При μ = 0 бочкообразования нет, т.е. цилиндр при осадке превращался бы в цилиндр на протяжении всего процесса деформации, а распределение деформаций в заготовке было бы равномерным. Однако из-за того, что при горячей деформации μ=0,3– 0,4, а также благодаря подстуживающему действию инструмента в заготовке при осадке можно выделить три зоны (Рисунок 8.2, б). Зоны затрудненной деформации I расположены с торцевых частей заготовки. В центральной части поковки находится иксообразная зона интенсивной деформации II. Частицы металла в этой зоне деформируются значительно больше, чем в зоне I. Между боковой поверхностью заготовки и зоной интенсивной деформации выделяется зона промежуточных деформаций III с растягивающими напряжениями. Такое распределение деформаций ведет к анизотропии свойств получаемых поковок. Рисунок 8.2 - Заготовка до (а) и после (б) осадки: I – зона затрудненной деформации; II – зона интенсивной деформации; III – зона промежуточных деформаций Высадка – это осадка части заготовки (Рисунок 8.3). 121 Рисунок 8.3 - Схема высадки Прошивка – получение полостей в заготовке за счет вытеснения материала. Она применяется при изготовлении поковок с осевым отверстием. Одна из разновидностей прошивки, выполняемой сплошным прошивнем и надставками (Рисунок 8.4). Осаженный слиток располагают на нижнем бойке, по центру устанавливают прошивень, слегка вдавливают его в металл заготовки, а затем поднимают. В углубление для снижения трения и предотвращения приваривания прошивня насыпают графит или толченый уголь. После этого в углубление вновь устанавливают прошивень и вдавливают его в заготовку. Затем для дальнейшего заглубления прошивня используют короткие цилиндрические надставки. Когда толщина перемычки под прошивнем составит 0,1–0,2 высоты поковки, ее кантуют, вынимают надставки и прорезным прошивнем пробивают отверстие, одновременно удаляя первый прошивень. Рисунок 8.4 - Схема прошивки сплошным прошивнем Протяжка – процесс увеличения длины заготовки за счет уменьшения площади ее поперечного сечения (Рисунок 8.5). Процесс осуществляется путем приложения усилия ковки перпендикулярно оси заготовки. После одного или нескольких ударов заготовку поворачивают на 90о, проковывают, затем возвращают в начальное положение. Короткие заготовки начинают деформировать с края, длинные – с середины. За каждый переход коэффициент вытяжки составляет примерно 1,2–1,3. 122 Рисунок 8.5 - Схема протяжки Рубка – разделение заготовки на несколько частей или удаление концов поковок (Рисунок 8.6). Рисунок 8.6 - Схема рубки Раскатка – операция, заключающаяся в увеличении диаметра кольцевой заготовки за счет уменьшения ее толщины, выполняемая с помощью бойка и оправки (Рисунок 8.7). Раскатка используется при изготовлении поковок, имеющих незначительную толщину стенки по сравнению с диаметром отверстия (кольца, бандажи, венцы, различные обечайки). Операция раскатки аналогична протяжке заготовки, концы которой соединены между собой. Рисунок 8.7 - Схема раскатки Гибка – придание заготовке криволинейной формы, а также образование или изменение углов между частями заготовки (Рисунок 8.8). Гибку выполняют между опорами. Закручивание – процесс поворота одной части заготовки относительно другой (Рисунок 8.9). 123 Рисунок 8.8 - Схема гибки Рисунок 8.9 - Схема закручивания Кузнечная сварка – процесс соединения нескольких частей (Рисунок 8.10). Место соединения очищают, нагревают до 1270–1400 оС и сваривают в твердой фазе, прикладывая внешнее давление. Сварку применяют для низкоуглеродистых сталей. Передача – смещение одной части заготовки относительно другой при сохранении параллельности осей или плоскостей частей заготовки (Рисунок 8.11). Широко применяют передачу металла в одной и двух параллельных плоскостях. Например, при передаче по первому способу (Рисунок 8.11) на прессе с подвижным столом после надрубки и пережима сдвигают нижний боек относительно верхнего так, чтобы правая кромка нижнего бойка находилась на уровне левой кромки верхнего бойка. После этого нажатием верхнего бойка выполняют смещение одной части металла относительно другой. Помимо рассмотренных при ковке используют и другие операции: растяжка (местное уменьшение площади поперечного сечения путем растяжения), прожимка (местное уменьшение площади поперечного сечения заготовки путем обжатия), обкатка (придание заготовке формы тела вращения путем повторных ударов или нажатий), засечка (выделение части объема заготовки путем нанесения углубления по ее границам), проглаживание (устранение неровностей поверхности заготовки путем пластического деформирования) и др. Рисунок 8.10 - Схема кузнечной сварки: а – до сварки; б – после сварки 124 Рисунок 8.11 - Последовательность операции передачи 8.3. Влияние ковки на структуру и механические свойства металлов Заготовками для ковки обычно служат слитки. Рассмотрим ковку стальных слитков и влияние этой операции на структуру и свойства металла (Рисунок 8.12). В строении слитка различают несколько зон. Поверхностный слой слитка представляет собой мелкокристаллическую структуру, обусловленную быстрой скоростью охлаждения. В следующем слое кристаллиты имеют столбчатое строение, а в середине слитка кристаллизация жидкого металла происходит еще медленнее и образуется зона равноосных дендритов. Кроме того, в середине слитка скапливается некоторое количество микротрещин, переходящих в верхней части слитка в пустоты и рыхлости с располагающейся в верхней (прибыльной) части усадочной раковиной. Таким образом, слиток вследствие неоднородности по структуре и химическому составу, как в пределах зерна, так и по объему, а также из-за наличия пор, газовых пузырей и других дефектов не может быть непосредственно использован для изготовления деталей машин и конструкций. Для устранения перечисленных дефектов слитки подвергают горячей обработке давлением, в частности ковке. При ковке литого металла первичные кристаллы (дендриты) дробятся и вытягиваются в направлении наибольшей деформации. В результате протекания процессов рекристаллизации деформированный металл приобретает зернистую микроструктуру. Одновременно с дендритами, создавая волокнистую структуру, перемещаются и их границы, представляющие собой неметаллические вещества. Кроме того, процесс сопровождается завариванием пузырей, трещин, пор, и металл уплотняется. Вследствие ускорения протекания диффузионных процессов частично выравнивается химический состав (устраняется дендритная ликвация). 125 Рисунок 8.12 - Строение стального слитка: 1 – усадочная раковина; 2 – усадочная рыхлость; 3 – зона плотного зернистого строения; 4, 5 – зоны мелких и крупных кристаллов, ориентированных перпендикулярно к стенкам изложницы; 6 – зона крупных дендритов наклоненных к стенкам изложницы; 7 – зона средних и крупных дендритов, различно ориентированных; 8 – часть слитка с плотным зернистым строением В результате ковки металл становится прочнее и пластичнее, хотя и приобретает анизотропию свойств. При сравнительно неизменных во всех направлениях характеристиках прочности характеристики пластичности металла вдоль волокон получаются выше, чем поперек. Причем эта разница растет с увеличением коэффициента уковки. Изменение структуры слитка можно рассмотреть на примере протяжки (Рисунок 8.13). Практикой установлено, что средняя часть слитка приобретает волокнистое строение уже после 2–3-кратного укова, а столбчатые дендриты при этом только начинают заметно отклоняться от первоначального направления. При 4–6-кратном укове увеличиваются деформация и наклон столбчатых дендритов, но последние все же остаются наклоненными к направлению вытяжки на заметный угол. После 10-кратного укова сталь приобретает волокнистое строение по всему сечению. Эта структура является стойкой и только термообработкой, близкой к температуре плавления, можно лишь частично «размыть» волокнистость. Рисунок 8.13 - Изменение структуры слитка при протяжке: а – до протяжки; б – протяжка с 4 – 6 кратным уковом; в – протяжка с 10-ти кратным уковом Дальнейшая технология получения изделий из поковок должна учитывать волокнистость их структуры. Например (Рисунок 8.14), если коленчатый вал изготовить 126 механической обработкой на металлорежущих станках из поковки в виде пластины, то волокна в щеках вала получаются подрезанными (Рисунок 8.14, а), что снижает прочность этих участков. Если при изготовлении коленчатого вала применяют операции гибки или передачи металла, то получают волокнистую структуру, расположенную по контуру вала (Рисунок 8.14, б) и имеющую повышенную прочность. Рисунок 8.14 - Структура коленчатого вала, изготовленного резкой из пластины (а) и полученного операциями ковки: гибкой или передачей (б) 8.4. Оборудование и технология ковки Ковку осуществляют на молотах и вертикальных прессах. Первые представляют собой машины динамического воздействия, в которых скорость движения рабочего инструмента составляет 6,5–7 м/с. У прессов скорость хода инструмента до 0,1 м/с создает статическое воздействие на заготовку. Молоты характеризуются массой падающих частей, а прессы – усилием, которое развивает плунжер. Молоты. Конструкции ковочных молотов разнообразны, однако они все основаны на общем принципе, суть которого в том, что энергия, необходимая для деформирования металла, передается с помощью удара. Молот любой конструкции имеет следующие основные части: падающие, к которым относятся баба, шток, поршень и верхний боек; шабот – крупную отливку из стали, к которой крепится нижний боек (масса шабота обычно в 10–15 раз больше массы падающих частей); станину с фундаментной плитой, на станине крепятся рабочий цилиндр, служащий для силового воздействия на падающие части, и механизм управления; фундамент, служащий общей опорой для шабота, под который укладывают для смягчения удара дубовые брусья, и состоящий из трех частей: двух боковых пирсов (на них опирается станина) и средней части (на нее опирается шабот). По роду привода молоты делятся на пневматические, паровоздушные, гидравлические и механические. По принципу действия молоты могут быть простого и двойного действия. У молотов простого действия энергия удара создается за счет свободного падения подвижных частей, а у молотов двойного действия добавляется также дополнительное воздействие на них какого-либо энергоносителя с целью увеличения силы удара. Наиболее широко применяют пневматические и паровоздушные молоты. В пневматических молотах для передачи движения от привода к бабе используется упругая воздушная среда. Это оборудование предназначено для изготовления мелких и средних поковок. Кузнечные цехи машиностроительных заводов оснащены в основном паровоздушными молотами с массой падающих частей от 0,5 до 8т. Недостатками молотов являются низкий КПД (составляет иногда 3–4 %) и создаваемые ими 127 вибрационные нагрузки, из-за которых разрушаются обычные здания, а прецизионные станки теряют точность. Поэтому молотовые кузницы строят отдельно от механических цехов. Паровоздушный молот (Рисунок 8.15), который работает следующим образом: пар или сжатый воздух давлением 0,4–1,2 МПа подается с помощью золотника (3) в цилиндр (1) под поршень (2) или над ним. Поршень соединен штоком с бабой (4), имеющей верхний боек (6). Попеременная подача пара или воздуха над поршнем или под поршнем обеспечивает соответствующее движение бабы. При этом следует помнить, что процессы расширения пара и воздуха происходят по разным законам. Поэтому при переходе с пара на воздух требуется соответствующее регулирование парораспределительного механизма. Нижний боек (7) укреплен на шаботе (8), который устанавливают на самостоятельной части фундамента, используя при этом подушку из дубовых брусьев в виде плит в несколько рядов, уложенных крест-накрест. Стойки (5) молота крепятся к другой части фундамента. В зависимости от массы изготовляемых поковок молоты строят двухстоечными (арочными) и мостовыми (для крупных поковок), а также одностоечными (для мелких поковок). На паровоздушных молотах обрабатывают слитки и блюмы массой до 2–3 т, но чаще всего до 1,5 т. Масса падающих частей таких молотов обычно составляет от 1 до 5 т. Рисунок 8.15 - Схема паровоздушного молота Гидравлические ковочные прессы. Для ковки слитков массой более 2–3 т используют гидравлические прессы с усилием от 5 до 150 МН и более. Гидравлические прессы деформируют поковку не ударным воздействием, а постепенным продвижением инструмента. При этом в процессе рабочего хода бойков непрерывно подводится энергия, для чего используется вода или масло под высоким давлением. Приводы в гидравлических прессах по конструкции делятся на насосные, насосноаккумуляторные и мультипликаторные. Возникшие в процессе работы гидропресса силы замыкаются в станине и на фундамент не передаются. Фундаменты гидропрессов значительно дешевле 128 молотовых. Недостатками гидропрессов являются их тихоходность, невысокая производительность и сложность в эксплуатации из-за наличия жидкости высокого давления, с которой могут работать только специально обученные рабочие. Схема устройства гидравлического ковочного пресса (Рисунок 8.16). Рисунок 8.16 - Принципиальная схема гидравлического ковочного пресса Рабочее усилие пресса создается жидкостью (водной эмульсией или минеральным маслом) высокого давления (200–300 кгс/см2, или 20–30 МН/м2), подаваемой в рабочий цилиндр (1) от привода (6) через систему управления (5). Жидкость давит на плунжер (2), который передает усилие на подвижную поперечину (7). Последняя перемещается по колоннам (4), жестко соединенным верхней и нижней неподвижными поперечинами (3) и (9). При опускании поперечины (7) жидкость из возвратных цилиндров (10) вытесняется плунжерами (11). Заготовка деформируется бойками (8), которые прикрепляют к неподвижной (9) и подвижной (7) поперечинам. Для подъема поперечины (7) после рабочего хода жидкость под давлением подается в возвратные цилиндры (10), а из рабочего цилиндра (1) вытесняется плунжером (2). Таким образом, поперечина совершает прямой и обратный ходы. Прямой ход имеет два участка: приближения, при котором рабочий инструмент подводится к заготовке, и рабочий ход, при котором заготовка деформируется. Остановки подвижной поперечины для выполнения вспомогательных операций (смены инструмента, перемещения заготовки и т.д.) называются технологическими паузами. Гидропрессовая установка состоит из собственно пресса, привода (источника жидкости высокого давления, питающего пресс), приемников для жидкости (баков), органов управления (распределителей, клапанов), трубопроводов. При работе гидравлических прессов жидкость высокого давления расходуется только во время прямого рабочего и обратного ходов, а ход приближения осуществляется за счет жидкости низкого давления. Поэтому в гидроприводе прессов часто используют специальные устройства–аккумуляторы, позволяющие накапливать жидкость высокого давления во время технологических пауз и прямого холостого хода (приближения). Это дает возможность снижать установочную мощность привода. 129 При разработке технологии ковки составляют чертеж поковки с припуском на обработку резанием, допусками на точность изготовления и напуском для упрощения очертаний поковки. Затем выбирают заготовку или слиток, которые перед ковкой нагревают в горнах, камерных или методических печах. Нагретую заготовку подают к молоту или прессу для ковки. Пресс выбирают по усилию деформирования. Массу падающих частей молота определяют из условия равенства работы, затрачиваемой на деформацию заготовки, и эффективной энергии удара. После операции ковки поковки подвергают отделке, удаляют поверхностные дефекты, окалину, шлак, песок. В случае необходимости проводят термическую обработку поковок. В цехах ковки в зависимости от вида выпускаемых поковок и необходимой производительности устанавливают молоты и прессы различного типа. Кроме основного оборудования (молотов и прессов), цехи ковки оснащаются нагревательными средствами, мостовыми кранами, транспортными средствами – машинами для посадки металла в печь, выдачи из печи и подачи к молоту или прессу, рельсовыми или безрельсовыми манипуляторами и др., поскольку все основные и вспомогательные операции ковки выполняются с использованием соответствующих машин и механизмов, причем во многих случаях имеется возможность их автоматизации. Оборудование цеха ковки размещают с учетом поточности производства: обрабатываемую заготовку от одного агрегата к другому передают в соответствии с наиболее рациональным разделением ковочных, а также отделочных операций. 130 9. ТЕХНОЛОГИЯ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ 9.1. Сущность процесса горячей объемной штамповки Штамповка – это процесс обработки металлов давлением с использованием специального инструмента – штампа, состоящего из двух и более деталей. Штампы служат для формоизменения или разделения заготовок, а штамповке подвергают как объемные, так и листовые заготовки, с нагревом и без него. Для горячей объемной штамповки используют штампы, содержащие полости – ручьи. Течение металла при штамповке принудительно ограничивается поверхностями инструмента, что вызывает перераспределение объема заготовки. Заготовка, деформируясь в ручьях, заполняет их и принимает форму штампованной поковки. Штамповый инструмент отличается высокой стоимостью, а деформирование металла при этом требует большей мощности по сравнению с ковкой, но при массовом производстве однотипных поковок штамповка имеет ряд преимуществ. Помимо высокой производительности, штамповка обеспечивает получение поковок с высокой точностью размеров, что уменьшает расход металла на изготовление детали и снижает трудоемкость при последующей обработке металла резанием. Кроме того, этот вид обработки металлов давлением обеспечивает получение поверхности поковок высокого качества. Последующие за горячей штамповкой отделочные операции (например, калибровка в холодном состоянии) повышают качество поверхности поковок, а допуски размеров при этом снижаются. Поэтому все повышенные расходы на штамповку и изготовление инструмента окупаются экономией металла и расходами на механическую обработку поковок. Вместе с тем штамповкой можно получать изделия весьма сложной формы, которые во многих случаях нельзя выполнить ковкой без напусков. Штамповкой изготавливают поковки преимущественно массой до 100 кг, однако производят поковки массой и до 400–500 кг и даже до 2 т. 9.2. Виды горячей объемной штамповки Применяют два вида штамповки (Рисунок 9.1): облойную (с заусенцем) в открытых штампах ( Рисунок 9.1, а ) и безоблойную ( при отсутствии заусенца ) в закрытых штампах Рисунок 9.1, б). Рисунок 9.1 - Штампы для горячей штамповки на молоте: а – открытый, б – закрытый 131 При облойной одноручьевой штамповке поковки 1 получают из цилиндрической заготовки 5 в штампе, состоящем из двух частей: верхней 7, прикрепляемой к бабе, и нижней 8, прикрепляемой к штамподержателю и шаботу молота. Для облегчения выемки поковок боковые поверхности ручьев делают с уклонами α = 3–12°. Нагретую заготовку 5 укладывают в нижнюю половину штампа на торец. При деформации металл заполняет ручей, формируя черновую поковку 4. При облойной штамповке заусенец 2, 3 образуется по месту разъема штампа из-за избытка металла. Начало появления заусенца опережает заполнение металлом ручьев штампа. При последующем уменьшении зазоров штампа заусенец создает подпор по контуру поковки 6, что способствует заполнению металлом углов штампа, т.е. облой выполняет определенную технологическую функцию. Заусенечную щель между частями штампа выполняют в виде специальной канавки по периметру поковки. После деформации облой удаляется на обрезных штампах. Облойная штамповка имеет широкое применение, так как надежно обеспечивает заполнение полостей штампа. При безоблойной штамповке в закрытом штампе заготовку помещают в полости нижней части штампа 2 и процесс деформирования выполняют верхней частью 1. Небольшой заусенец, который может образоваться по плоскости разъема, не влияет на процесс штамповки и является результатом неточности размеров заготовки. Для удаления поковки 3 из штампа применяют выталкиватели или стенки штампа изготавливают с уклоном. Основным преимуществом безоблойной штамповки является пониженный расход металла. Сортамент штамповок, получаемых в открытых штампах, более широкий. Оба метода предусматривают штамповку в одном или нескольких ручьях. 9.3. Оборудование для штамповки Около 80 % штампованных поковок производят на универсальных паровоздушных штамповочных молотах, кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Кроме того, наиболее крупные изделия штампуют на гидравлических прессах усилием до 750МН. Оборудование для серийной штамповки обычно объединяют в гибкие производственные модули, оснащенные роботами-манипуляторами и управляемые ЭВМ. Паровоздушный штамповочный молот. В нем должны точно совпадать верхняя и нижняя части штампа. Поэтому его станина крепится непосредственно к шаботу, имеет регулируемые длинные направляющие бабы. Соотношение масс шабота и падающих частей m составляет 20–30, а число ударов в минуту 90–110 (Рисунок 9.2). Штамповочные молоты благодаря своей универсальности, простоте конструкции и меньшей стоимости по сравнению с другими видами оборудования удобны для использования во всех видах производства, но, вследствие сотрясения зданий и возникающих при работе вибраций, постепенно вытесняются КГШП. У штамповочных паровоздушных молотов масса подвижных частей может составлять от 630 кг до 25 т, однако наиболее широко применяют молоты, у которых этот параметр имеет значение от 630 кг до 10 т. 132 Рисунок 9.2 - Паровоздушный штамповочный молот: 1 – шабот; 2 – стойки станины ; 3 – баба ; 4 – шток; 5 – рабочий цилиндр ; 6 – золотниковая коробка; 7–9 – устройства для смазки узлов 5, 6 Кривошипные горячештамповочные прессы (Рисунок 9.3) предпочтительнее использовать вместо молотов в цехах крупносерийного производства. Эти прессы имеют массивную закрытую станину, кривошипно-ползунный механизм, механический нижний и верхний выталкиватели. Ползун кривошипного пресса (Рисунок 9.3, б) совершает возвратно-поступательное движение при помощи кривошипно-ползунного механизма. Движение ползуна подчинено определенному закону: каждому углу поворота кривошипного вала соответствуют определенная скорость и положение ползуна по высоте. Следовательно, ползун пресса имеет постоянное значение хода и фиксированные нижнее и верхнее положения. Поэтому штамповку в каждом ручье обычно производят только за один ход ползуна (штамповочному молоту требуется несколько ударов), а размеры изделия по высоте получаются более точными, чем при штамповке на молотах. Штамповка на механических прессах имеет и другие преимущества, которые снижают стоимость изделий. Так, на кривошипных прессах широко используют менее дорогостоящие составные штампы. Производительность таких прессов на 30–50 % выше производительности молотов, так как изделие выполняется за один ход ползуна, при этом облегчается автоматизация, улучшаются условия труда рабочих. Безударный характер работы кривошипных прессов позволяет устанавливать их в зданиях облегченного типа. 133 Рисунок 9.3 - Общий вид (а) и кинематическая схема (б) КГШП : 1 – станина; 2 – ресивер; 3 – электродвигатель ; 4 – стяжные болты ; 5 – нижний выталкиватель; 6 – тормоз ; 7 – тормоз маховика; 8 – маховик; 9 – клиноременная передача ; 10 – промежуточный вал; 11 – зубчатая передача ; 12 – главный кривошипный вал; 13 – шатун; 14 – пневматическая фрикционная муфта ; 15 – ползун; 16 – стол с двуклиновым устройством. Отечественные заводы выпускают КГШП усилием 6,3–63 МН. В особых случаях применяют КГШП усилием до 125 МН. Гидравлические штамповочные прессы по принципу действия не отличаются от ковочных, но имеют меньшую длину хода траверсы, повышенную жесткость и усилие штамповки до 750 МН. Они дороже и тихоходнее кривошипных прессов и применяются для штамповки особо крупных поковок, поковок из малопластичных сплавов, для операций, требующих большого хода инструмента. К типовым поковкам относятся крупные рычаги, фланцы, диски, зубчатые колеса, гребные винты, оребренные панели и другие корпусные детали летательных аппаратов, кольца, бандажи и т.д. Прессы оборудуют выталкивателем, вертикальной и боковыми прошивными системами. Например, у пресса усилием 650МН пять рабочих цилиндров и шесть ступеней усилия, два боковых прошивных механизма усилием 70 МН каждый и один вертикальный усилием 134 МН, наибольшие длина хода 1,5 м и скорость 50 мм/с, давление рабочей жидкости 32 и 63 МПа. Гидравлические прессы оснащены средствами механизации и электронной системой управления. Горизонтально-ковочная машина (ГКМ). Является механическим прессом, в котором кроме главного деформирующего ползуна есть еще боковой зажимной ползун. Он зажимает недеформируемую часть прутка, а в современных ГКМ осуществляет высадку в матрицах. Течение металла при штамповке на ГКМ представляет собой разновидность прессовой прошивки, выдавливания и высадки. Схема работы ГКМ (Рисунок 9.4). Штампы ГКМ имеют два разъема. Один проходит между пуансоном 1, закрепленным в ползуне, и матрицами 4 (подвижной) и 3 134 (неподвижной). В исходном положении а пруток диаметром d вставляют манипулятором в полукольцевую выемку неподвижной матрицы 3 и проталкивают до переднего упора 2. В рабочей полости остается часть прутка длиной lB. Включают рабочий ход, части машины занимают положение б, затем в. В положении б показано начало высадки прутка длиной lB, зажатого на длине lзаж между матрицами 3 и 4. В положении в высадка закончена. Далее пуансон 1 отойдет назад, матрицы 3 и 4 раскроются. Можно извлечь пруток из ГКМ или переложить его в другой ручей (обычно у ГКМ их три). Рисунок 9.4 - Схема штамповки на ГКМ На ГКМ кроме стержней с фланцами и утолщениями штампуют детали типа стакана (из прутка) или втулки (из трубной заготовки). Преимуществами ГКМ являются: удобство штамповки деталей в виде стержня с утолщением на конце, экономия металла (так как нет облоя и штамповочных уклонов), безударная работа. К недостаткам ГКМ относятся: меньшая универсальность; меньшая, чем у пресса, мощность; высокая стоимость штампов и самой ГКМ; необходимость в очистке прутка от окалины. Современные ГКМ оснащают средствами механизации и автоматизации, на их базе созданы комплексы с автоматизированной сменой штампов. Инструменты для штамповки Инструментом для штамповки служат штампы. По назначению различают штампы собственно для штамповки, обрезные, правочные и калибровочные. По видам оборудования штампы подразделяются на молотовые, прессовые, высадочные (устанавливаемые на ГКМ). По количеству ручьев различают штампы одноручьевые и многоручьевые. По конструктивному признаку штампы могу быть с одной или двумя плоскостями разъема, с выталкивателями и без них, цельные и сборные; кроме того, штампы делятся на открытые (для штамповки с облоем) и закрытые (для безоблойной штамповки). Многоручьевой штамп (Рисунок 9.5). В предчистовом (или предварительном) ручье штампа еще нет облоя, а радиусы закруглений больше. 135 Рисунок 9.5 - Многоручьевый молотовой штамп: 1 – нижняя часть штампа; 2 – поковка типа шатуна; 3 – протяжка; 4 – подкатка; 5,6 – предчистовая и чистовая штамповка; I – IV – соответствующие ручьи шампа В чистовом ручье после нескольких ударов молотом металл полностью заполняет полость штампа, а избыток его выдавливается в облой через щель между верхней и нижней половинами штампа. Для легкого извлечения поковки из ручья боковые стенки делают с наклоном 7–100. Штамповочные ручьи бывают окончательными (чистовыми) и предварительными (черновыми). Окончательный ручей, обязательный для любого штампа, предназначен для штамповки уже готовой поковки (с облоем). Деформация в нем невелика, что позволяет повысить точность размеров поковки. Остальные ручьи применяют в различных сочетаниях в зависимости от формы поковки. Предварительный ручей применяют при штамповке поковок сложной формы для уменьшения износа окончательного ручья. Основная деформация, необходима для получения конечной формы поковки, происходит в предварительном ручье, повторяющем по форме окончательный ручей, но с большими радиусами закруглений и без канавки для заусенца. Заготовительные ручьи предназначены для перераспределения массы заготовки по главным осям поковки согласно распределению массы в поковке. К ним относятся формовочный, пережимной, подкатной, протяжной и гибочный ручьи. В формовочном ручье заготовке придается форма, приближающаяся к форме поковки в плоскости разъема штампов. При этом площадь поперечного сечения заготовки изменяется незначительно. Пережимной ручей предназначен для уширения заготовки без ее заметного удлинения. В формовочный и пережимной ручьи заготовка поступает чаще без предварительной обработки, реже - после протяжного ручья. После обработки в формовочном и пережимном ручьях заготовка попадает в штамповочный ручей (предварительный или окончательный). Подкатной ручей позволяет перераспределять объем металла вдоль оси заготовки в соответствии с формой поковки, т.е. увеличивать одни поперечные сечения за счет уменьшения других. Заготовка поступает в подкатной ручей либо без предварительной обработки, либо из протяжного ручья. После каждого удара в подкатном ручье заготовку кантуют. После подкатного ручья заготовка попадает 136 чаще всего в штамповочный ручей, реже - в гибочный или формовочный. В протяжном ручье площади поперечных сечений отдельных участков заготовки уменьшаются за счет протяжки. В этом ручье обычно осуществляется первая штамповка, после чего заготовка передается в любой другой ручей. Гибочный ручей придает заготовке форму, соответствующую форме поковки в плоскости разъема штампов, путем гиба. Гибочный ручей может применяться в любой последовательности среди заготовительных ручьев. Отрубной ручей применяется при штамповке поковки от прутка, т.е. одна заготовка (пруток) служит для последовательной штамповки нескольких поковок. В этом случае готовую поковку отрубают от прутка отрубным ножом. 9.4. Технологический процесс штамповки Под технологическим процессом горячей объемной штамповки понимают совокупность действий, непосредственно связанных с изменением размеров и формы исходной заготовки от поступления металла в обработку до получения готовой поковки. К основным этапам разработки технологии производства горячештампованных заготовок относят: выбор способа штамповки поковок; составление чертежа поковки; определение переходов штамповки; определение формы и размеров заготовки под штамповку; подбор кузнечно-штамповочного оборудования; конструирование штампов; выбор способа нагрева заготовок; определение вида отделочных операций; оценку технико-экономических показателей разработанного процесса. Начальным этапом разработки является ориентировочный выбор варианта штамповки – оборудования, способа штамповки (в открытом или закрытом ручье) и т.п. Выбор варианта штамповки определяется серийностью производства, конфигурацией детали, материалом, требованиями к точности и др. В единичном и мелкосерийном производстве ковка может оказаться эффективнее штамповки, так как не связана с изготовлением дорогостоящего инструмента. В крупносерийном и массовом производстве преимущества штамповки на КГШП делают этот процесс экономичнее штамповки на молотах. Применение КГШП особенно эффективно при использовании периодического проката в сочетании с индукционными нагревателями и средствами автоматизации. Поковка типа стержня с утолщением является типовой для штамповки на ГКМ. Поковку типа кольца можно штамповать на ГКМ, молоте или прессе. В таких случаях при выборе варианта штамповки учитывают наличие оборудования в цехе, расходы на изготовление штампов, их стойкость и т.д. Производство многих штампованных изделий может быть полностью механизировано и автоматизировано с организацией поточных линий, имеющих законченный технологический цикл. К автоматизированному производству можно отнести специальные автоматические линии для массового производства горячей штамповки мелких и средних размеров поковок, автоматические линии изготовления крупных поковок в серийном производстве. Эффект автоматизации в значительной мере определяется не только снижением трудоемкости производства поковок, но и более интенсивным использованием дорогостоящего штамповочного оборудования. 137 10. ТЕХНОЛОГИЯ ХОЛОДНОЙ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ 10.1. Сущность процесса холодной листовой штамповки Листовая штамповка – процесс получения из листа, полосы, ленты изделий плоской или пространственной формы с заданными конструктивно-геометрическими и структурными параметрами без существенного изменения толщины материала. Процессы листовой штамповки основаны на использовании пластичности обрабатываемых материалов и их упрочнения при обработке. Они обеспечивают точность и стабильность размеров изготовляемых деталей, что является основным условием их взаимозаменяемости (при достаточной прочности и минимальной массе), позволяющем снижать массу отдельных конструкций и узлов машины. Благодаря этим достоинствам, а также высокому коэффициенту использования металла, листовая штамповка находит широкое применение как в массовом, так и в мелкосерийном производстве. На дальнейшее развитие технологии листовой штамповки влияют непрерывный рост производства изделий во многих отраслях промышленности, расширение номенклатуры изготовляемых деталей, специализация производства. Изделия, полученные листовой штамповкой, используются в авиационной, автомобильной, тракторной промышленности, производстве товаров массового потребления и других отраслях промышленности. Различают толстолистовую и тонколистовую штамповку, причем к тонколистовой относят штамповку заготовок толщиной менее 4 мм. Тонколистовую штамповку, как правило, ведут в холодном состоянии, а при толщине листа более 10 мм применяют только горячую штамповку. Процесс листовой штамповки отличается высокой производительностью, легко поддается механизации и автоматизации, обеспечивает высокую точность размеров и хорошее качество поверхности отштампованных деталей. Номенклатура штампуемых деталей постоянно растет в связи с возможностью изготовления импульсными методами (взрывом, электрогидравлической штамповкой) крупногабаритных деталей, а также необходимостью изготовления мелких деталей из материала толщиной 0,005–0,1 мм. Для листовой штамповки применяют черные и цветные металлы и сплавы. К черным металлам и сплавам можно отнести сталь (углеродистая обыкновенного качества, углеродистая качественная конструкционная, легированная конструкционная, высоколегированная) и деформируемые сплавы с особыми свойствами (коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, магнитные и др). К цветным металлам и сплавам – медь, никель алюминий, магний, титан и деформируемые сплавы на их основе (латуни, бронзы, дуралюмины и др). Наибольшее распространение получили металлы и сплавы, из которых можно штамповать детали с заданными свойствами различных форм и размеров. В автомобилестроении большую часть деталей штампуют из углеродистых сталей. Цветные металлы и сплавы применяют в тех случаях, когда использование стали не обеспечивает заданных эксплуатационных свойств. Однако предполагают, что в перспективе для листовой штамповки автомобильных, в том числе кузовных, деталей возможно более широкое использование сплавов легких цветных металлов (алюминия, а также титана). Тяжелые металлы (медь, никель) и их сплавы необходимо заменять, если это допустимо по условиям эксплуатации детали, на менее дорогие и дефицитные сплавы. 138 Металлы и сплавы для листовой штамповки поступают на машиностроительный завод в виде проката (листов, полос и лент). Выбор марки металла или сплава, вида проката, требования к их качеству должны соответствовать условиям эксплуатации детали и требованиям технологии листовой штамповки, т.е. необходимо, чтобы материал удовлетворял заданному комплексу эксплуатационных и технологических свойств. Чем в большей степени конструкция детали удовлетворяет требованиям технологии, тем выше технологичность ее изготовления. Основные параметры, определяющие технологичность конструкции, материал, форма и размеры детали, требования к ней по точности размеров, шероховатости поверхности и качеству в целом. При выборе материала и технологии штамповки необходимо учитывать также технологичность конструкции штампованной заготовки (т.е. после штамповки) при последующей обработке и отделке: обработке резанием, клепке, пайке, сварке, нанесении соответствующих покрытий химическим или электрохимическим путем. Главной характеристикой технологичности конструкции детали является физическая природа материала, от которой зависят его технологические свойства: пластичность, сопротивление деформации, интенсивность деформационного упрочнения. Значительное влияние на процесс листовой штамповки полых и других сложных по форме деталей оказывает анизотропия. 10.2. Основные операции листовой штамповки Различные фазы процесса изготовления детали, при которых происходит изменение формы заготовки, называют операциями. Операции листовой штамповки делят на разделительные, формоизменяющие, прессовочные и штампосборочные. Разделительные операции. Эти операции предназначены для получения заготовки из листа или ленты. К таким операциям, выполняемым по замкнутому или незамкнутому контуру, относятся (Рисунок 10.1): а) отрезка – полное отделение одной части материала от другой по незамкнутому контуру по прямой или кривой линии; б) вырубка – полное отделение металла по замкнутому контуру, причем отделяемая часть является изделием или заготовкой, а оставшаяся часть – отходом; в) пробивка – полное отделение металла внутри заготовки по замкнутому контуру, причем вырезанная часть является отходом, а оставшаяся часть – изделием; г) обрезка – удаление неровного края или лишнего металла снаружи изделий; д) разрезка – разделение заготовок на части по незамкнутому контуру; е) надрезка – частичное отделение металла по незамкнутому контуру без удаления отходов; ж) зачистка – удаление технологических припусков с помощью штампа с образованием стружки для повышения точности размеров и уменьшения шероховатости поверхности штампованной заготовки; з) проколка – образование в заготовке отверстия без удаления металла в отход. 139 Рисунок 10.1 - Деталь (1) и исходная заготовка (2), полученная разделительной операции ей листовой штамповки: а – отрезкой; б – вырубкой; в – пробивкой; г – обрезкой; д – разрезкой; е – надрезкой; ж – зачисткой; з - проколкой Формоизменяющие операции. Формоизменяющими называют операции листовой штамповки, в результате которых изменяется форма заготовки путем пластического деформирования. К ним относятся (Рисунок 10.2): а) гибка – образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы; б) скручивание – поворот части заготовки вокруг продольной оси; в) закатка – образование закругленных бортов на краях полой заготовки; г) правка давлением (правка) – устранение искажений формы заготовки; д) вытяжка – образование полой заготовки или изделий из плоской или полой исходной заготовки; е) рельефная формовка – образование рельефа в листовой заготовке за счет местных растяжений без обусловленного изменения толщины металла; ж) отбортовка – образование борта по внутреннему и (или) наружному контуру заготовки; з) раздача – увеличение размеров поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по всему периметру; и) обжим в штампе – уменьшение размеров поперечного сечения части полой заготовки путем одновременного воздействия инструмента по всему ее периметру. 140 Рисунок 10.2 - Деталь (1) и исходная заготовка (2), полученная формоизменяющей операцией листовой штамповки: а – гибкой; б – скручиванием в – закаткой; г – правкой; д – вытяжкой; е – рельефной формовкой; ж – отбортовкой; з – раздачей; и – обжимом в штампе Прессовочные операции. К прессовочным операциям, осуществляемым из листового материала, относят чеканку, клеймение (маркировку) и разметку (кернение). Все эти операции основаны на перераспределении и перемещении части или всего объема металла заготовки в процессе штамповки. Они характеризуются общностью схемы напряженного состояния (неравномерное объемное сжатие). Чеканкой называется штамповочная операция, при которой происходит изменение формы изделия, большей частью плоского, осуществляемое между верхней и нижней частями штампа. При этом материал изменяет свою толщину и вследствие перемещения заполняет все углубления на поверхности штампа. Чеканка в листовой штамповке применяется главным образом для изготовления монет, медалей, а также художественных изделий и предметов широкого потребления: часовых деталей, столовых приборов и др. (Рисунок 10.3). Чеканка применяется и в комбинации с другими операциями (вытяжкой, отбортовкой и т.д.). 141 Рисунок 10.3 - Изделия, полученные чеканкой Заготовки, поступающие на чеканку, с целью улучшения качества изделий должны подвергаться очистке травлением, галтовке в барабанах или очистке в пескоструйной камере. Достижимая точность размеров по толщине при обычной чеканке – в пределах ±0,1 мм, а при повышенной – составляет ±0,05 мм. Размеры заготовки для чеканки определяются методом равенства объемов заготовки и готового изделия с учетом припуска на обрезку. Операции клеймения (маркировки) аналогичны чеканке, но глубина распространения деформации в металл у них меньше, поэтому они требуют меньших удельных усилий. Клеймением наносят на поверхность деталей рельефные надписи, номера, обозначения и т.д. Разметка, или кернение, в штампах применяется для нанесения лунок – центров под сверление мелких отверстий при обработке точных деталей в массовом и крупносерийном производстве. Разметка широко распространена в часовом производстве и в приборостроении. Достижимая точность разметки керновочным штампом составляет ±0,02 и ±0,03 мм. Для керновочных операций применяется такое же оборудование, как и для чеканки. Штампосборочные операции. Широкое распространение в листовой штамповке получили операции сборки различных деталей, особенно в приборостроении, точной механике, электро- и радиотехнике и в производстве изделий массового потребления. Методы сборки листовых деталей штамповкой основаны на применении операций гибки, отбортовки, обжима и их комбинации. Большинство из них дает довольно прочное неразъемное соединение. Формы деталей и способы их соединения могут быть различные: соединения двух плоских, согнутых или вытянутых деталей между собой; соединение листовой детали со стержнем путем его расклепки или с точеной втулкой путем развальцовки и др. (Рисунок 10.4). Рисунок 10.4 - Соединение листовых деталей штампосборочными операциями 142 Последовательность технологического процесса соединения носика с корпусом алюминиевого чайника (Рисунок 10.5). Сборка носика с корпусом «в замок» осуществляется в четыре операции на одном и том же штампе со сменными насадками. Иногда целесообразно изготавливать полые изделия, являющиеся телами вращения, из плоской заготовки путем обжатия на вращающейся вместе с ней шайбе (оправке) токарно-давильного станка соответствующим инструментом. Рисунок 10.5 - Последовательность технологического процесса для соединения носика с корпусом алюминиевого чайника 10.3. Оборудование для листовой штамповки Производство деталей методами листовой штамповки выполняется в специализированных цехах. Оборудование листоштамповочных цехов можно условно разделить на две группы: основное (технологическое) и вспомогательное. Основным называется оборудование, на котором изготавливают детали (изделия). С помощью вспомогательного оборудования подготавливают листовой материал к штамповке, осуществляют перемещение его через рабочую зону и перерабатывают отходы. Наиболее распространенный вид машины для листовой штамповки – кривошипные прессы, в которых кривошипно-шатунный механизм приводит в возвратнопоступательное движение ползун с верхним штампом. Для мелких и средних деталей в основном применяют прессы простого действия, которые имеют один ползун и предназначены для таких несложных операций, как вырубка, неглубокая вытяжка, гибка и т.д. Прессы двойного действия, имеющие наружный и внутренний ползуны, используют для изготовления изделий с глубокой вытяжкой. В зависимости от размеров штампуемых деталей прессы как простого, так и двойного действия могут быть одно-, двух - и четырехкривошипными (Рисунок 10.6). 143 Рисунок 10.6 - Схема одно- (а), двух- (б) и четырехкривошипных (в) механизмов Четырёхкривошипные прессы предназначены для изготовления крупногабаритных изделий с глубокой вытяжкой и вырубкой по контуру сложной конфигурации. Гидравлические прессы применяются обычно для глубокой вытяжки. Прессы простого действия используются для вытяжки деталей из тонкого листа в холодном состоянии, а прессы двойного действия – для изготовления крупногабаритных изделий из толстолистового металла с глубокой вытяжкой. Для штамповки также применяются листоштамповочные воздушные молоты, но значительно реже, чем кривошипные и гидравлические прессы. Автоматы листоштамповочные многопозиционные – наиболее высокопроизводительное оборудование, широко распространенное в промышленности. На них осуществляется многооперационная штамповка изделий из ленты и полосы, а также возможна работа и со штучными заготовками. Перенос заготовок по позициям осуществляется различными типами подач. Для более широкого использования свойств листового металла при высоких скоростях деформирования в лабораториях обработки металлов давлением применяются машины импульсного действия: гидравлические, газовые, магнитные и взрывные. В настоящее время в листовой штамповке широко используются средства механизации и автоматизации, автоматические линии и комплексы, оснащенные компьютерами и электронно-вычислительными машинами, что значительно повышает производительность, качество готовой продукции и общую культуру производства. К вспомогательному оборудованию относятся кривошипные и гидравлические ножницы с наклонным ножом для разрезки заготовок и дисковые ножницы для продольной разрезки рулона на ленты; зигмашины, правильно-разматывающие и наматывающие машины, а также машины для переработки отходов – пакетировочные и брикетировочные прессы. Инструмент для листовой штамповки Основным инструментом для листовой штамповки является штамп, который состоит из рабочих элементов (пуансон и матрица) и ряда вспомогательных деталей. Одна часть штампа с пуансоном крепится к ползуну пресса, а другая часть штампа с матрицей закрепляется на столе. Точное совпадение осей матрицы и пуансона обеспечивают направляющие колонки, которые располагают обычно по диагонали штампа. 144 Названия штампов соответствуют названиям операций листовой штамповки. Например, штамп отрезной, штамп гибочный, штамп вытяжной и т.д. По группам операций штампы подразделяются на разделительные и формоизменяющие. В зависимости от количества производимых операций в штампе их подразделяют на штампы простого действия, выполняющие какую - либо одну операцию листовой штамповки, и комбинированные (многооперационные), которые по принципу работы могут быть последовательного и совмещенного действия (Рисунок 10.7). В штампах последовательного действия операции следуют одна за другой при последовательном перемещении заготовки от одного пуансона к другому. Например, при получении шайб в таком штампе вначале пробивается отверстие, а затем производится вырубка. В штампах совмещенного действия на одной позиции штампа за один ход ползуна выполняется несколько операций листовой штамповки. Например, при изготовлении чашечки вначале производится вырезка кружка, затем при этом же ходе пуансона – вытяжка. Рисунок 10.7 - Комбинированные штампы: а – совмещенный для вырубки и пробивки; б – совмещенный для вырубки и вытяжки; в – последовательного действия В многооперационных штампах может выполняться до пяти операций и более. Такие штампы обеспечивают наибольшую производительность, их проще автоматизировать, а сами прессы занимают меньшую производственную площадь. Для изготовления штампов холодной штамповки обычно используют инструментальные стали марок У7-У12. 10.4. Технология листовой штамповки Проектирование технологического процесса листовой штамповки сводится к установлению порядка операций с указанием режима и потребного оборудования: 1) последовательность изготовления детали по операциям; 2) последовательность участков, на которых изготавливается деталь; 3) основное, необходимое и вспомогательное оборудования; 4) оснастка; 145 5) пооперационные нормы времени; 6) общие данные о детали (номер, количество на изделие, материал и пр.). При составлении технологического процесса изготовления деталей из листового материала учитывают ряд факторов, влияющих на выбор варианта штамповки, а именно: а) конфигурацию и размеры детали; марку и толщину материала; точность изготовления и качество отделки поверхности детали; б) объем производственного задания и размер отдельной партии; в) общую производственную обстановку (сроки подготовки производства; наличное оборудование, штампы и инструмент; мощность цехов или мастерских, изготовляющих штампы, и необходимый инструмент; квалификацию рабочих и ИТР цеха, предприятия). Известно, что большинство штампуемых деталей из листового материала можно изготавливать несколькими способами: дифференцированным – отдельными операциями на отдельных штампах и комбинированным – совмещенным или последовательно действующим. Анализируя при составлении технологического процесса значимость и удельный вес отдельных приведенных выше факторов, можно в каждом конкретном случае правильно выбрать тот или иной вариант штамповки. Действительно, в зависимости от рода и толщины материала детали решают вопрос о ее штамповке в холодном или горячем состоянии. Объем производственного задания или партии и точность изготовления детали позволяют установить способы штамповки – дифференцированный или комбинированный. В серийном производстве крупные и грубые детали изготовляют на раздельных штампах; в мелкосерийном и опытном производстве детали штампуют упрощенными и универсальными штампами, применяют групповые методы и поэлементную штамповку. При крупносерийном и массовом производстве в зависимости от размеров деталей и требуемой точности их изготавливают на последовательно действующих или на совмещенных штампах. В массовом производстве следует стремиться к автоматизации как отдельных операций, так и всего процесса в целом, созданию специализированных автоматических штамповочных линий и даже целых участков по комплексной автоматизации процесса изготовления изделия. 146 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1 Обработка металлов давлением /Ю.Ф. Шевакин [и др.]; под науч. ред. Ю.Ф. Шевакина. – М: Интермет Инжиниринг, 2005. – 496 с. 2 Обработка металлов давлением / И.М. Павлов [и др.]; под ред. И.М. Павлова. – М: Металлургиздат, 1995. – 484 с. 3 Сторожев, М. В. Теория обработки металлов давлением /М. В. Сторожев, Е. А. Попов. – М.: Машиностроение, 1977. – 423 с. 4 Грудев, А.П.Теория прокатки / А.П. Грудев.– М.: Металлургия, 1988 – 240с. 5 Суворов, И.К. Обработка металлов давлением / И.К. Суворов – М.: Высш. шк., 1980. – 364 с. 6 Мастеров, В.А. Теория пластической деформации металлов давлением / В.А. Мастеров, В.С. Берковский. – М.: Металлургия, 1989 – 400с. 7 Грабарник, Л.М. Прессование цветных металлов и сплавов и сплавов / Л.М. Грабарник, А.А. Нагайцев. – М.: Металлургия, 1991 – 342 с. 8 Ерманок, М.З. Волочение цветных металлов и сплавов / М.З. Ерманок, Л.С. Ватрушин. – М : Металлургия, 1988 – 288 с. 9 Семенов, Е.И. Технология и оборудование ковки и объемной штамповки / Е.И. Семенов, В.Г. Кондратенко, Н.И. Ляпунов. – М.: Машиностроение, 1978. – 310 с. 10 Зубцов, М.Е. Листовая штамповка. – Л.: Машиностроение, 1980.– 432 с. 11 Головин, В.А. Технология и оборудование холодной штамповки / В.А. Головин, Г.С. Ракошиц, А.Г. Навроцкий. – М : Машиностроение, 1987. – 352 с. 147