Сущность обработки металлов давлением

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 3.1. Сущность обработки металлов давлением Обработка металлов давлением (ОМД) – процесс получения изделий требуемой формы, размеров и физико-механических свойств путём пластической деформации заготовок под действием внешних сил без нарушения сплошности (целостности) материала. На металл действуют внешние силы (удары молота, давление пресса), вызывающие в нем напряжения, превышающие предел упругости, в результате изменяется форма исходного металла (слитка или мерной заготовки), а объём его остается постоянным. Процесс обработки сопровождается изменением структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов. Обработке давлением подвергаются только ковкие металлические материалы, обладающие достаточной пластичностью. Хрупкие металлы и сплавы (марганец, чугун, твердые сплавы и др.) давлением не обрабатываются. Природная пластичность различных металлов и сплавов неодинакова. Свинец, олово, алюминий, медь, цинк и их сплавы обладают высокой пластичностью в холодном состоянии и могут обрабатываться давлением без предварительного подогрева. Пластичность стали в холодном состоянии недостаточна. Для повышения пластичности она нагревается и обрабатывается давлением в горячем состоянии. Основными видами обработки металлов давлением являются: прокатка, волочение, свободная ковка, штамповка и прессование (рис 1). а б в г д е Рис. 1. Схемы видов обработки металлов давлением: а – прокатка; б – волочение; в – ковка; г – объёмная штамповка; д – листовая штамповка; е – прессование Обработка давлением – один из самых распространённых и прогрессивных методов без стружечной обработки металлов. Почти 90 % всей выплавляемой стали и 60 % цветных металлов и сплавов подвергают тем или иным методам обработки давлением; этим способом получают изделия весом от нескольких граммов до сотен тонн. Обработка металлов давлением характеризуется высокой производительностью и относительно малой трудоёмкостью. В настоящее время около четверти металла, потребляемого машиностроением, уходит в отходы в виде стружки, что составляет в целом по стране миллионы тонн. В свою очередь применение точных фасонных профилей, полученных в результате обработки давлением, обеспечивает снижение расхода металла в среднем от 50 до 70 %. Кроме того, внедрение и использование методов ОМД позволяет повысить точность заготовок и резко снизить трудоёмкость механической обработки при значительном снижении расхода металла. Таким образом, обработка давлением обеспечивает снижение расхода металла по сравнению с обработкой резанием и способствует улучшению его механических свойств. При холодной обработке давлением под действием пластической деформации изменяется форма зёрен: они измельчаются и вытягиваются в направлении наибольшей деформации. Происходит повреждение плоскостей скольжения и искажение кристаллической решётки. Указанное явление получило название наклёпа. Наклёп увеличивает предел прочности и твёрдость металла, уменьшает его относительное удлинение и сужение, ударную вязкость, плотность, электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость. С появлением наклёпа дальнейшая деформация металла затрудняется, и на определённой стадии он может разрушаться. Для снятия наклёпа применяют рекристаллизационный отжиг. Наклёпанный металл, имеющий искаженную кристаллическую структуру, находится в неустойчивом состоянии, При нагреве до некоторой температуры, называемой температурой рекристаллизации (Трекр), вокруг определённых центров из осколков деформированных зёрен возникают и растут новые зёрна. Металл из неустойчивого состояния переходит в равновесное (устойчивое) состояние. Это явление называется рекристаллизацией. В результате рекристаллизации наклёпанный металл становится менее прочным и его пластичность повышается. Академик А.А. Бочвар установил, что Трекр ~ α · Тпл , (1) где Тпл – абсолютная температура плавления чистых металлов, оК; α = (0,25 … 0,4) – для сверхчистых металлов, α = 0,4 – для технически чистых металлов, α = (0,4 … 0,5) – для сплавов, α = (0,55 … 0,60) – сильнолегированных сплавов. Температура рекристаллизации у сплавов, как правило, выше, чем у чистых металлов. Таким образом, холодной обработкой давлением называется такая обработка, при которой металл получает упрочнение и образуется структура наклёпанного металла. При горячей обработке давлением, проводимой выше температуры рекристаллизации, одновременно с наклёпом происходит и рекристаллизация, устраняющая наклёп. Металл получает рекристаллизационную структуру без следов упрочнения. Горячая обработка давлением литого металла улучшает его структуру и повышает механические свойства. В результате литой металл уплотняется (за счёт заварки микротрещин, пустот и газовых раковин), выравнивается по химическому составу (за счёт диффузии) и приобретает волокнистую структуру. Волокнистая структура является результатом вытягивания зерен и расположенных между ними неметаллических включений (окислов, карбидов и др.) в направлении наибольшей деформации. Вследствие образования волокнистой структуры свойства металла получаются анизотропными, т.е. различными в разных направлениях. Например, механическая прочность металла вдоль волокон будет выше, чем поперек. Волокнистая структура не может быть уничтожена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Известно, что металлы и сплавы перед обработкой давлением нагревают с целью повышения их пластичности, и уменьшения энергии, затрачиваемой на деформацию. Доказано, что при нагреве отожженной стали (рис. 2) до 300 0С предел прочности (σb) увеличивается, а относительное удлинение (δ) и сужение (ψ) – уменьшаются. При температуре нагрева свыше 300 0С прочность стали значительно уменьшается, а пластичность сильно возрастает. Вывод: чем выше температура нагрева, тем больше пластичность. Однако нагрев до слишком высоких температур может вызвать перегрев или пережог стали. Чтобы избежать этого, необходимо точно установить верхний температурный предел. Заканчивать деформирование металла нужно также при определенной оптимальной температуре. Обработка давлением ниже этой температуры недопустима из-за большого сопротивления деформированию и низкой пластичности стали. Если же заканчивать обработку давлением значительно выше или ниже оптимальной температуры, то это может привести к получению крупнозернистой структуры или наклёпу. Таким образом, при горячей обработке давлением металлов и сплавов устанавливают температурный интервал, ограниченный верхним и нижним пределами. Рис. 2. Изменение механических свойств отожжённой стали в зависимости от температуры нагрева Температурные интервалы определяются по таблицам справочной литературы и диаграмме состояния Fe – Fe3C. Например: для марок сталей 40, 45, 50 начало ковки (штамповки) рекомендуется при 1260 0С и конец при 850 0С. 2. Прокатка Прокатка (рис. 1, а) – это метод ОМД, при котором исходная заготовка (слиток или отливка) под действием сил трения непрерывно втягивается между вращающимися валками и пластически деформируется с уменьшением толщины и увеличением длины (иногда ширины). Прокатка самый распространённый метод ОМД (прокатке подвергаются почти 90 % всей выплавляемой стали и значительная часть цветных металлов и сплавов). Это, как правило, метод горячей обработки материалов давлением. В зависимости от формы и расположения валков и заготовок по отношению к ним различают три вида прокатки (рис. 3). Продольная прокатка представляет собой деформацию заготовки, происходящую между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. При этом заготовка перемещается в направлении перпендикулярном осям валков. Поперечная прокатка представляет собой деформацию заготовки, имеющей форму тела вращения, происходящую между двумя валками, вращающихся в одном направлении. При этом заготовка, вращаясь, перемещается в направлении параллельном осям валков. При данном способе прокатке заготовка обжимается по образующей с увеличением длины и площади поперечного сечения. Поперечная прокатка – процесс производства спецпрофилей периодического сечения. а б в Рис. 3. Виды прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно - винтовая Поперечно – винтовая (косая) прокатка представляет собой деформацию заготовки, имеющей форму тела вращения, происходящую между двумя валками, расположенных под углом друг к другу и вращающихся в одну сторону. В результате заготовка, вращаясь, перемещается в направлении параллельном осям валков. В данном случае материал получает не только поперечную, но и продольную деформацию за счет перекоса валков. Косая прокатка – процесс производства бесшовных горячекатаных труб. Инструментом для прокатки служат валки, которые изготовляются из отбеленных чугунов, углеродистых и легированных сталей (рис. 4). Валки могут быть гладкими (для проката листов, полос и т.д.) и калиброванными (для производства профилей: квадратов, уголков и др.). Калиброванные валки имеют ручьи – фигурные вырезы (выточенные круговые канавки). Смежные ручьи при наложении валков одного на другой образуют просветы, называемые калибром (рис. 4, в). Оборудованием для прокатки является прокатный стан, представляющий собой комплекс машин и агрегатов, предназначенных для осуществления прокатки, отделки и транспортировки заготовок или готовых изделий. Комплект прокатных валков со станиной называется рабочей клетью. По числу и расположению валков в рабочих клетях различают следующие виды прокатных станов (рис. 5). Дуо-станы имеют два валка расположены в одной плоскости. Дуо-станы для получения массивных заготовок (до 300 т) называются блюминги (квадратное сечение заготовок) и слябинги (прямоугольное сечение заготовок). Дуо-станов бывают: • реверсивные (валки могут изменять направление вращения) используются для прокатки крупных слитков, толстых листов, массивных профилей; • нереверсивные (валки могут вращаться только в одну сторону) применяют для прокатки сортового металла, проволоки, тонких листов. а б в Рис. 4. Прокатные валки: а – гладкие; б – калиброванные; в – калибр валков Трио-станы имеют три валка, расположенные в одной вертикальной плоскости. Направление вращения валков всегда постоянно. Прокатываемая заготовка после каждого прохода смещается в новое положение, постоянно работает средний валок. Этим обеспечивается реверс направления заготовки. Применяют для прокатки сортового металла. Применяются редко в связи с развитием непрерывной прокатки. Кварто-станы имеют четыре валка, расположенные в одной плоскости. Два средних малого калибра имеют привод и являются рабочими, два других валка большого диаметра отдельного привода не имеют и выполняют функции опорных, уменьшая деформацию рабочих. Этим обеспечивается большая точность поперечного сечения проката толстых и тонких листов. Кварто-станы бывают: реверсивные (используются в одноклетьевых станах) и нереверсивные (используются в непрерывных многоклетьевых станах). Кварто-станы находят самое широкое применение для горячей и холодной прокатки, т. к. из-за жёсткости валков резко повышается точность проката. Многовалковые станы имеют от шести до двадцати валков и более. Шестивалковые станы служат для холодной прокатки тонких и узких лент с жесткими допусками. Двенадцативалковые станы предназначены для производства фольги высокой точности в холодную. Обычно рабочие валки малого диаметра не имеют привода, их вращение обеспечивается за счет сил трения от промежуточных приводных валков, которые, в свою очередь, опираются на опорные валки. Многовалковые станы применяются для прокатки широких листов большой точности, а также для прокатки тонких лент и фольги толщиной менее 0,2 мм. а б в г д Рис. 5. Виды прокатных станов: а – дуо-станы; б – трио-станы; в – кварто-станы; г – многовалковые; д – универсальные Универсальные станы (универсально-балочные) с неприводными вертикальными валками для горячей прокатки широкополочных балок. Данные станы имеют парные горизонтально и вертикально расположенные валки, ограничивающие течение металла в ширину. Расстояние между валками может изменяться, поэтому они позволяют получать как лист, так и любой прямоугольный профиль с ровными боковыми стенками. Данные станы применяют для прокатки толстых листов, высоких двутавровых балок с широкой полкой. Прокат – это получаемые прокаткой заготовки для последующей обработки давлением (ковкой, волочением, штамповкой) или резанием, а также готовые изделия (балки, трубы, рельсы, уголки и другие). Профиль – это форма поперечного сечения проката. Сортамент прокатных изделий представляет собой выпускаемый прокат определённого профиля и размеров. Сортамент сталей подразделяется на листовой, сортовой и специальный. Толщина толстостенного листового проката от 4 до 60 мм (иногда 450 мм), а ширина – от 600 до 5000 мм. Толщина тонкостенного – от 0,2 до 3,75 мм,а ширина – от 600 до 2200 мм. Сортовой прокат бывает простого и фасонного профиля. К простому прокату относится сталь квадратная, круглая, прямоугольная, треугольная, овальная, полукруглая, сегментовая, ромбическая. К сортовому прокату фасонного профиля относятся неравнобокие и равнобокие уголки, швеллеры, двутавровые и тавровые балки, рельсы, зетовая сталь. 3. Волочение Волочение (рис. 1, б) – это метод ОМД, заключающийся в протягивании заготовки ((проволоки, прутка или трубы; обычно в холодном состоянии) через отверстие, поперечное сечение которого меньше исходного сечения заготовки. Это отверстие, выполненное в виде конуса, называется глазком или очком. Диаметр глазка меньше диаметра заготовки на величину от 1,05 до 1,5 мм (зависит от материала заготовки). Количество глазков может быть от 17 до 20 штук. Волочение применяют для изготовления проволоки диаметром от 4 до 0,01 мм, а также калиброванных прутков различного профиля и тонких труб из катаной или прессованной заготовки. Волочение придаёт изделиям гладкую поверхность и точные размеры. При этом длина заготовки увеличивается, а поперечное сечение приобретает форму отверстия с одновременным уменьшением площади поперечного сечения. Волочильный инструмент, выполненный в виде диска, в котором сделан один глазок называется матрица или волочильная доска (рис. 6). Матрицы изготавливаются из закалённой стали, твёрдых сплавов. Волока – это волочильный инструмент, выполненный в виде диска, в котором сделано несколько отверстий в виде конусов (глазков). Широкое распространение получили фильеры – волочильные доски со вставным глазком (вставка в металлическое кольцо). Они изготавливаются из твёрдых сплавов и применяются для получения стальной проволоки диаметром до 0,5 мм. Для изготовления тонкой медной или вольфрамовой проволоки диаметром от 0,25 до 0,05 мм используются рубиновые или алмазные фильеры. Рис. 6. Волочильная доска: 1 – волока; 2 – заготовка; 3 – глазок Оборудованием для волочения являются волочильные станы, состоящие из тянущего устройства и волочительного инструмента. По типу тянущего устройства различают следующие виды волочильных станов. Станы с прямолинейным движением протягиваемого материала: цепные, реечные и гидравлические. Станы с наматыванием протягиваемого материала на барабан (барабанные). Барабанные станы в зависимости от назначения могут быть: однобарабанные (однократные) применяют при волочении толстой проволоки диаметром от 4 до 25 мм и иногда труб; многобарабанные применяют при волочении труб, при этом диаметр намоточного барабана увеличивают с 450 мм до 2000 мм; скорость волочения в этом случае составляет от 1,5 до 2 м/с. Барабанные станы применяются в основном для получения проволоки, редко для сплошных и полых профилей (только в тех случаях, когда изгиб при наматывании на барабан не нарушает формы поперечного сечения заготовки). Технология осуществления процесса волочения включает в себя следующие этапы. Заготовку перед волочением подвергают термообработке для снятия наклёпа и придания металлическому материалу необходимых пластических и прочностных характеристик. Непосредственно перед волочением сначала заостряют конец заготовки. Затем удаляют окалину механическим, химическим или электролитическим методами. Далее промывают и наносят подсмазочный слой (тонкий слой гидроксида железа – Fe(OH)n), медный, фосфатный, известковый), который должен удерживать смазку и предохранять рабочую поверхность волоки от налипания металлического материала. Для улучшения трения заготовка смазывается растительным или минеральным маслом. Если исходное сечение заготовки необходимо уменьшить, то волочение повторяется несколько раз (для тонкой проволоки до 17 … 20 раз) от одного глазка к другому. Это связано с тем, что тяговое усилие ограничено прочностью проволоки и вытяжкой, для которой за проход от глазка к глазку (отношение площади исходного сечения к конечному) колеблется от 1,05 до 1,5. 4. Свободная ковка Свободная ковка (рис. 1, в) – это метод ОМД, заключающийся в пластической деформации нагретого до определённой температуры (от 800 до 1250 оС) металла под действием периодических ударов (бойка молота) или статических воздействий инструмента (давление пресса или молота). В результате металл свободно течёт во все стороны в пространстве между бойками в направлении, где он встречает наименьшее сопротивление, и принимает форму заданной поковки. В большинстве случаев поковка служит заготовкой для дальнейшей механической обработки. Ковка не только изменяет форму и размеры обрабатываемого металла, но и способствует улучшению его структуры и механических свойств. Она измельчает и уплотняет зерна, устраняет внутренние раковины и пузыри. Свободная ковка обычно применяется для получения единичных поковок различной формы и размеров. Она подразделяется на ручную и машинную. Ручная ковка выполняется путём нанесения последовательных ударов инструментом по металлу, лежащему на опорной площади наковальни. Она применяется редко, обычно в единичном производстве и при изготовлении мелких поковок для ремонтных работ. Ручная ковка применяется для изготовления мелких поковок (массой до 30 кг). При ручной ковке обрабатываемый материал (заготовка) удерживается на наковальне клещами разнообразной формы и размеров. Молотобоец наносит сильные удары кувалдой по тем местам заготовки, на которые указывает кузнец легкими ударами ручника (рис. 7). При ручной ковке применяется различный подкладной инструмент: пробойники-бородки, зубила, гладилки, обжимки и другие (рис. 8). Машинная ковка применяется на производстве и осуществляется на молотах и прессах для изготовления поковок различных типоразмеров при изготовлении изделий массой более 30 кг. Большое применение имеет машинная ковка, при которой заготовку укладывают на нижний боёк ковочного молота или пресса, а деформация металла осуществляется с помощью верхнего бойка молота или под давлением пресса. Различают бойки плоские и фасонные (рис. 3.9, а). Подкладными инструментами при машинной ковке являются обжимки для отделки цилиндрических и граненых поверхностей, пережимки для образования углублений, раскатки для местной вытяжки, топоры для рубки, прошивни для обработки отверстий, клещи для удерживания поковки (рис. 9, б – ж). Операции свободной ковки осуществляются перечисленными выше инструментами и обладают следующими характерными особенностями выполнения. Осадка – это уменьшение высоты заготовки при увеличении площади поперечного сечения. Осуществляется с полным перекрытием инструментом (бойками) всей заготовки (рис. 10, а). Применяют для получения поковок дисков, зубчатых колес и т.д. Не рекомендуется применять для заготовок, у которых отношение высоты к диаметру (или меньшей стороне поперечного сечения) больше 2,5 во избежание изгиба заготовки. Высадка – это уменьшение высоты заготовки при утолщении поковки на конце или середине (рис. 10, б). С этой целью деформацию заготовки на некоторой её части ограничивают подкладкой кольцевых плит, закрепляемых на бойках. Высадкой создают поковки болтов, деталей с буртами деталей с фланцами и т.д. а б в г Рис. 7. Инструмент для ручной свободной ковки: а – наковальни: безроговая; однороговая; двуроговая; б – кувалды: с продольным задком; с квадратными губками; с круглыми губками; в – клещи: с прямоугольными губками; с квадратными губками; с круглыми губками; г – ручники: с шарообразным задком; с поперечным задком; с продольным задком Прошивка – это получение полостей в теле заготовки за счет вытеснения материала с помощью прошивня, закреплённого на бойке (рис. 10, в). Прошивка служит для удаления некачественной сердцевины слитка; образования отверстия; подготовительной операцией для последующей раскатки или протяжки заготовки на оправке. Отверстия диаметром до 500 мм пробивают сплошным прошивнем с применением подкладного кольца. Отверстия большего диаметра прошивают полым прошивнем, применяя в случае высокой заготовки надставки. Часть материала заготовки при этом удаляют вместе с прошивнем. Гибка – это образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы (рис. 10, г). Гибку осуществляют с помощью различных подкладных опор, приспособлений, подкладных штампов. Гибку применяют для изготовления угольников, скоб, крюков и т.д. Протяжка – это увеличение всей длины заготовки (или её части) за счёт уменьшения площади поперечного сечения (рис. 10, д). Протяжка осуществляется последовательным обжатием (ударами или нажатием) отдельных, примыкающих друг к другу участков заготовки при её подачи вдоль оси. Протяжка – наиболее распространённый вид свободной ковки. Протяжкой получают поковки с удлинённой осью, из которых будут изготовлены: валы, рычаги, шатуны, тяги и т.п. Существуют следующие разновидности протяжки. а б в г д Рис. 8. Подкладной инструмент для ручной свободной ковки: а – пробойники-бородки: круглый, квадратный, плоский, фигурный; б – зубила: прямое для горячей рубки, прямое для холодной рубки, полукруглое, фасонное, одностороннее; в – подбойки: плоская, полукруглая; г – гладилки: простая, специальная; д – обжимки: квадратная фасонная Раскатка на оправке – это увеличение наружного и внутреннего диаметра кольцевой заготовки при вращении за счёт уменьшения ее толщины с помощью бойка и оправки (рис. 11, а). При раскатке на оправке ширина кольца несколько увеличивается. Инструмент для раскатки: плоский боек, оправка, люнет. Данным способом изготавливают поковки колец, бандажей, барабанов и т. п. Протяжка на оправке – это увеличение длины прошитой или просверленной заготовки за счет обжатия её по обе стороны оправки двумя бойками: нижним вырезным и верхним плоским или обоими вырезными бойками (рис. 3.11, б). При этом наружный диаметр и толщина стенки заготовки уменьшается. Данным способом изготавливают поковки сосудов высокого давления, пустотелые поковки котельных барабанов, роторов, турбин, стволы орудий и т. п. Рубка – это операция отделения одной части заготовки от другой путём внедрения в тело заготовки деформирующего инструмента (рис. 10, е). Рубка заготовки проводится топором, после чего заготовка кантуется на 180 0 и разделяется окончательно. Рубка применяется для удаления прибыльной и донной частей слитков или лишних концов поковок, а также для разделения длинной поковки на более короткие части. Скручивание – это поворот части заготовки вокруг продольной оси (рис. 10, ж). Одна часть заготовки зажимается в бойках, другая поворачивается при помощи ключей, воротков и других приспособлений. Скручивание осуществляют для разворота колец коленчатых валов, изготовления свёрл и т. п. Рис. 9. Инструмент для машинной свободной ковки: а – протяжки; б – обжимки; в – пережимки; г – раскатки; д – топоры; е – прошивни; ж – клещи а б в г д е ж Рис. 10. Операции свободной ковки: а – осадка; б – высадка; в – прошивка; г – гибка; д – протяжка; е – рубка; ж – скручивание а б в Рис. 11. Разновидности протяжки: а – раскатка на оправке; б – протяжка на оправке; в – разгонка 5. Штамповка Штамповка – метод ОМД, заключающийся в формообразовании изделия путём пластической деформации заготовки с помощью специальных инструментов – штампов, рабочая полость которых определяют конфигурацию конечного изделия. В отличие от свободной ковки при штамповке течение материала заготовки ограничивается поверхностями полости штампа, которые в конечный момент смыкания штампа образуют единую замкнутую полость, соответствующую конфигурации поковки. Другими словами, при штамповке поковки получаются в закрытой полости штампа, что обеспечивает получение заготовки, форма которой близка к форме будущей детали, с небольшими припусками на механическую обработку. Штамповка применяется тогда, когда партия поковок не менее 10000 штук ввиду того, что себестоимость штампа для сложных деталей очень велика. Штамповка бывает объёмной (рис. 1, г) и листовой (рис. 1, д). Объёмная штамповка, применяемая для изготовления поковок сложной геометрической формы, представляет собой процесс изменения формы металла посредством перераспределения частиц металла. Для этого исходный металл должен обладать высокой пластичностью. Поэтому чаще всего объёмная штамповка производится в горячем состоянии, то есть является горячей штамповкой. Штампы для горячей объёмной штамповки состоят из двух частей: верхней и нижней, которые имеют полость, называемую ручьём. Ручьи в верхней и нижней части штампа вместе соответствуют форме поковки. Для облегчения удаления поковки боковые стороны ручьев имеют уклоны. Места пересечения поверхностей выполняются с закруглениями, что облегчает течение металла и заполнение полости штампа. В процессе штамповки нагретая заготовка укладывается в ручей нижней части штампа. При ударах или под давлением верхней части металл течет во все стороны, заполняя полость ручья. Металл вытекает из полости и размещается в канавке, имеющейся вокруг ручья, образуя так называемый заусенец или облой. Быстро охлаждаемый тонкий заусенец препятствует дальнейшему вытеканию металла. При последующих ударах металл уплотняется и заполняет весь ручей. Заусенец затем удаляется на обрезных штампах. Каждый штамп предназначен для получения только одной определённой поковки. Простые поковки получают в одноручьевых штампах. Поковки сложной формы можно получить, произведя ряд последовательных операций. Чтобы выполнить заготовки за один нагрев, применяют многоручьевые штампы (рис. 12), имеющие ряд последовательно расположенных ручьёв. Они подразделяются на заготовительные и штамповочные. Заготовительным ручьям мерной заготовки, нарезанной из проката, придается такая форма, которая облегчает последующую штамповку. В протяжном ручье 3 она вытягивается, в подкатном 2 создаются местные уширения, в гибочном 5 производится изгиб и т.д. Штамповочные ручьи (предварительный 1 и окончательный 4) придают поковке окончательную форму. Рис. 12. Многоручьевой штамп для штамповки шатуна: 1 – предварительный ручей; 2 – подкатный ручей; 3 – протяжной ручей; 4 – окончательный ручей; 5 – гибочный ручей Объёмная штамповка отличается большой производительностью и не требует высокой квалификации рабочих. Она обеспечивает более высокую точность и чистоту, требует меньшего расхода металла. Однако из-за большой стоимости штампов её целесообразно применять только при массовом изготовлении поковок. Масса поковок достигает (20 … 30) кг и только в отдельных случаях до 3000 кг. Для изготовления штампов используется инструментальная легированная сталь марок 5ХНМ, 5ХНТ, 3ХВ8, 7Х3, 5ХГМ, а также инструментальная углеродистая сталь марок У8, У10. Твёрдость рабочих частей штампа HRC от 38 до 44. Для штамповки разнообразных поковок из стали массой от 0,1 до 300 кг применяют паровоздушные штамповочные молоты с массой падающих частей от 0,5 до 25 т, фрикционные молоты от 0,5 до 2 т и безшаботные молоты с энергией удара до 100 000 кГ·м (981 кДж). Листовая штамповка применяется для изготовления из листового или полосового материала плоских или тонкостенных изделий. Чаще всего применяется тонколистовой металл. Его штампуют в холодном состоянии. Листовая штамповка является одним из прогрессивных методов формообразования на прессах при помощи штампов и широко применяется во всех отраслях машиностроения, приборостроительной, электротехнической и металлообрабатывающей промышленности. В зависимости от толщины листа-заготовки листовую штамповку можно условно разделить на тонколистовую (толщина листа-заготовки менее 4 мм) и толстолистовую (толщина листа-заготовки более 4 мм). Чаще всего применяется тонколистовой металл. Его штампуют в холодном состоянии. Листовой материал толщиной свыше 15 мм, как правило, штампуют в горячем виде. Диапазон штампуемых листовых деталей очень широк: от нескольких миллиметров до (6 … 7) м при толщинах от десятых долей миллиметра до 100 мм и более. Операции листовой штамповки подразделяются на разъединительные (разделительные), формоизменяющие, прессовые и комбинированные. Разъединительные (разделительные) операции листовой штамповки связаны с отделением одной части материала от другой по замкнутому или незамкнутому контуру. К разделительным относятся следующие виды операций (рис. 3.13, а – е): • вырубка (вырезка) – операция по получению заготовки замкнутого контура; • пробивка – получение в теле заготовки сквозных отверстий заданной формы с удалением материала в отход путём сдвига; • отрезка (резка) – отделение от листа или полосы части материала заготовки; • обрезка – удаление излишек материала заготовки или заусенец; • надрезка – отличается от вырубки тем, что отделение материала заготовки ведётся не по всему контуру; • просечка – вырубка или пробивка неметаллических материалов. При разделительных операциях рабочие части штампа – пуансон 1 и матрица 2, верхний 3 и нижний 4 ножи имеют острые кромки и выполняются в соответствии с формой детали. Под давлением ползуна пресса пуансон сначала несколько изгибает металл и вдавливает его в отверстие матрицы. При возрастании давления в металле появляются трещины скалывания и металл разделяется. Формоизменяющие операции листовой штамповки связаны с изменением формы заготовки, т.е. превращают плоскую заготовку в пространственную деталь требуемой формы без необходимого изменения толщины материала заготовки. Из формоизменяющих операций наиболее распространены правка, гибка, вытяжка, отбортовка, закатка (рис. 13, ж – к). Правкой выпрямляют изогнутую заготовку, а гибкой – заготовке придают нужную изогнутую форму. В процессе гибки наружные слои металла растягиваются, а внутренние сжимаются. Не изменяется длина нейтрального слоя 5, проходящего через центр тяжести сечения. По нему и ведется расчёт длины заготовки для гибки. Получение из плоской заготовки полой пространственной детали называется вытяжкой. Различают вытяжку без утонения и с утонением. В первом случае толщина исходного металла не уменьшается, во втором изменяется не только форма заготовки, но и толщина её стенок. За один проход выполняется обычно неглубокая вытяжка. Когда нужно получить глубокую вытяжку, её ведут за несколько проходов. Отбортовкой получают борт по наружному контуру или в отверстии. Закаткой образуют кольцевое закругление по контуру изделия. Пуансон 1 и матрица 2 имеют закругленные кромки. Во избежание образования складок вытяжные штампы имеют прижим 6. Прессовые операции листовой штамповки связаны с изменением толщины заготовки. К ним относятся чеканка, разметка (кернение), клеймение (маркировка), холодное выдавливание. Комбинированные операции листовой штамповки представляют собой совмещение нескольких технологических операции листовой штамповки, например, отрезка + гибка или вырубка + вытяжка. 6. Прессование Прессование (рис. 1, е) – способ ОМД, заключающийся в выдавливании (экструзии) находящегося в полости контейнера материала через одно (или нескольких) отверстий матрицы с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки. Отверстие матрицы называется очко и имеет разную форму, что позволяет получать изделия самого разнообразного профиля. При прессовании реализуется одна из самых благоприятных схем нагружения – всестороннее неравномерное сжатие, обеспечивающее максимальную пластичность заготовки. Это позволяет обрабатывать малопластичные и даже хрупкие материалы без опасности разрушения (например, недеформируемые другими методами ОМД чугуны – производство труб). а б в г д е ж з и к Рис. 13. Операции листовой штамповки: а – вырубка; б – пробивка; в – отрезка (резка); г – обрезка; д – нарезка; е – просечка; ж – гибка; з – вытяжка; и – отбортовка; к – закатка 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – верхний нож; 4 – нижний нож; 5 – нейтральный слой; 6 – прижим Прессование чаще всего применяют для обработки цветных металлов и сплавов (меди, латуни, бронзы, алюминия, магния, цинка, титана, никеля, реже сталей и тугоплавких металлов (вольфрама) и сплавов на их основе (ниобия). Исходным материалом для прессования стальных профилей являются прокатные заготовки, а для изделий из цветных металлов и их сплавов – слитки (отливки). Прессование позволяет получать изделия сложных профилей, с большой точностью размеров и исключает отделочные операции. Методами горячего прессования в настоящее время изготавливают чрезвычайно широкий сортамент изделий: прутки диаметром от 3 до 250 мм, трубы наружным диаметром от 20 до 560 мм, толщиной стенки от 1,5 до 15 мм, разнообразные профили сложного сечения: сплошные и полые (рис. 14). Оборудованием для прессования являются прессы. По виду энергии привода прессы разделяются на гидравлические (передача энергии деформирующим органам производится с помощью давления жидкости) и механические (имеют кривошипные или кулачковые механизмы, преобразующие вращательное движение электропривода в возвратно-поступательное перемещение деформирующего инструмента). По расположению инструмента прессы делятся на вертикальные и горизонтальные. Рис. 14. Профили прессования Инструментом для прессования служат контейнер, матрица, пуансон (штемпель), пресс-шайба, иглы и иглодержатели. Для изготовления прессовочного инструмента применяют дорогие материалы с повышенными жаростойкостью и прочностными характеристиками. Например, высококачественные инструментальные стали марок: 3Х2В8, 4ХВ2С, 4ХН4В, 5ХНМ, 7Х3, 38ХМЮА и др.; жаропрочные сплавы. Рабочие условия прессования: удельное давление до 1500 МПа; температура нагрева для цветных металлы и сплавов составляет от 500 до 900 0С, для стали, никелевых и титановых сплавов – от 1000 до 1250 0С. Прессование осуществляется тремя способами: прямым, обратным и совмещённым с прошивкой (рис. 15). При прямом прессовании направлением выдавливаемого материала через отверстие матрицы совпадает с направлением движения пуансона. В конце хода пуансона в контейнере остаётся часть материала заготовки, называемая пресс-остатком. При прямом методе прессования нагретая до определённой температуры заготовка 3 помещается в замкнутую полость контейнера 2 пресса (рис. 15, а). На одном конце контейнера закреплена матрица 4 с отверстием, а с другого конца входит плунжер с пуансоном и пресс-шайбой 1. Под действием давления плунжера пресса пресс-шайба пуансона 1 выдавливает материал заготовки 3 из контейнера через выходное отверстие матрицы 4. При прямом прессовании качество поверхности выше, чем при обратном, но большее усилие. В процессе прямого прессования требуется прикладывать значительно большее усилие, чем при обратном, т. к. часть его затрачивается на преодоление трения при перемещении материала заготовки внутри матрицы. Отчасти поэтому значительная часть материала заготовки не может быть выдавлена из контейнера. Остающаяся его часть (пресс-остаток) в среднем составляет от 18 % до 20 %, а в отдельных случаях от 30 % до 40 % от массы исходной заготовки. При обратном прессовании направлением выдавливаемого материала через отверстие матрицы противоположно направлению движения пуансона. В процессе обратного прессования нагретую заготовку 5 помещают в контейнер пресса 3, в который входит полый пуансон 1 с вмонтированной на его конец матрицей 4 (рис. 3.15, б). При движении пуансона 1 матрица 4 давит на нагретый материал заготовки 5, что приводит его в пластическое состояние. В результате материал заготовки вытекает через отверстие матрицы 4, т. к. в прямом направлении путь материалу закрыт стенкой контейнера пресса 3. а б в Рис. 15. Схемы прессования: а – прямое:1 – пресс-шайба пуансона; 2 – контейнер; 3 – заготовка; 4 – матрица; 5 – готовое изделие; б – обратное: 1 –пуансон; 3 – контейнер; 4 – матрица; 5 – заготовка; в – совмещённое с прошивкой: 1 – пресс-шайба пуансона; 2 – контейнер; 3 – игла; 4 – матрица; 5 – готовое изделие При обратном прессовании снижается отход металла (пресс-остаток составляет от 5 до 6 % от массы исходной заготовки) и уменьшается усилие деформации (примерно на 25 % усилие меньше, чем при прямом прессовании), так как отсутствует перемещение металла в контейнере. К недостаткам обратного прессования можно отнести сложность конструкции пресса, ограниченность размеров получаемой длины изделия, более низкое, чем при прямом прессовании, качество поверхности изделия. Данные недостатки препятствуют широкому применению обратного прессования. Прессование с прошивкой применяется для получения труб (рис. 15, в). В этом случае в контейнер пресса 2 закладывается слиток сплошного сечения или с отверстием по оси, диаметр которого равен диаметру иглы 3, закреплённой в пуансоне с пресс-шайбой 1. Нагретая заготовка сжимается пуансоном с укреплённой на его конце пресс-шайбой 1 и иглой 3. При этом конец иглы 3 частично внедряется в заготовку. Затем игла 3, проходя через отверстие в пуансоне и пресс-шайбе 1, прошивает заготовку. В конце данного этапа игла 3 входит в круглое отверстие матрицы 4 и выталкивает пробку через матрицу 4. Таким образом, между иглой 3 и стенками отверстия матрицы 4 образуется кольцевой зазор, через который из контейнера выдавливается материал заготовки, принимающий форму трубы 5. Контрольные вопросы 1. В чём заключается сущность обработки металлов давлением? 2. Какими особенностями обладает процесс прокатки? 3. В чём состоит сущность процесса волочения? 4. Каким образом реализуется процессы ручной и машинной ковки? 5. Какие особенности имеют способы осуществления объёмной и листовой штамповки? 6. В чём заключается сущность процессов прямого и обратного прессования?