Технологические процессы получения заготовок методами пластической деформации

Вопрос  8. Технологические  процессы получения заготовок методами пластической деформации.

Для получения деталей  применяют различные заготовки. Металлические заготовки изготавливают  литьем, прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами.

Методами пластической деформации получают заготовки из стали, цветных  металлов и их сплавов, а также  пластмасс, резины, многих керамических материалов и др. Широкое распространение  методов пластической деформации обусловливается  их высокой производительностью  и высоким качеством изготавливаемых  изделий. Важной задачей технологии является получение заготовок, максимально  приближавшихся по форме и размерам к готовым деталям. Заготовки, получаемые методами пластической деформации, имеют  минимальные припуски на механическую обработку, а иногда и не требуют  ее вовсе. Структура металлической  заготовки и ее механические свойства после пластической деформации улучшаются.

Обработка металлов давлением  основана на свойстве пластичности обрабатываемого  материала. «Пластичность — это  способность материала, изменять свою форму необратимо и не разрушаясь, под действием внешних сил». В  результате обработки давлением  изменяется форма заготовки без  изменения ее массы. Обработке давлением  можно подвергать только те материалы, которые обладают пластичностью  в холодном или нагретом состоянии. Пластическая деформация твердых тел  происходит в результате смещения атомов по кристаллографическим плоскостям, в которых расположено наибольшее количество атомов. В результате искажения  кристаллической решетки — наклепа  при деформации в холодном состоянии  — свойства кристалла изменяются: увеличивается твердость, прочность, хрупкость; уменьшается пластичность, вязкость, коррозийная стойкость, электропроводность. Для восстановления пластических свойств, устранения наклепа производят раскристаллизационный отжиг, после которого материал приобретает прежние свойства. При этом материал из неустойчивого состояния наклепа постепенно переходит в устойчивое, равновесное состояние.

1. ПРОКАТКА КАК ОДИН  ИЗ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ  И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ. ПРОКАТНОЕ  ПРОИЗВОДСТВО

Прокатка металлов - способ обработки металлов и металлических сплавов давлением, состоящий в обжатии их между вращающимися валками прокатных станов. Валки имеют большей частью форму цилиндров, гладких или с нарезанными на них углублениями (ручьями), которые при совмещении двух валков образуют так называемые калибры. Благодаря свойственной прокатке непрерывности рабочего процесса, она является наиболее производительным методом придания изделиям требуемой формы.

Как и другие способы обработки металлов давлением, прокатка основана на использовании пластичности металлов. Различают горячую, холодную и тёплую прокатку. Основная часть проката (заготовка, сортовой и листовой металл, трубы, шары и т.д.) производится горячей прокаткой при начальных температурах: стали 1000—1300 °С, меди 750—850 °С, латуни 600—800 °С, алюминия и его сплавов 350—400 °С, титана и его сплавов 950—1100°С, цинка около 150 °С. Холодная прокатка применяется главным образом для производства листов и ленты толщиной менее 1,5—6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб; кроме того, холодной прокатке подвергают горячекатаный металл для получения более гладкой поверхности и лучших механических свойств, а также в связи с трудностью нагрева и быстрым остыванием изделий малой толщины. Теплая прокатка, в отличие от холодной, происходит при несколько повышенной температуре с целью снижения упрочнения (наклёпа) металла при его деформации. 

В особых случаях для предохранения  поверхности прокатываемого изделия  от окисления применяют прокатку в вакууме или в нейтральной  атмосфере.

Известны три основных способа  прокатки: продольная, поперечная и  винтовая (или косая). При продольной прокатке деформация обрабатываемого  изделия происходит между валками, вращающимися в противоположных  направлениях и расположенными в  большинстве случаев параллельно  один другому. Силами трения, возникающими между поверхностью валков и прокатываемым  металлом, он втягивается в межвалковое пространство, подвергаясь при этом пластической деформации. Продольная прокатка имеет значительно большее распространение, чем два других способа.

Поперечная прокатка  и винтовая (косая) прокатка  служат лишь для  обработки тел вращения. При поперечной прокатке металлу придаётся вращательное движение относительно его оси и, следовательно, он обрабатывается в  поперечном направлении. При винтовой прокатке вследствие косого расположения валков металлу, кроме вращательного, придаётся ещё поступательное движение в направлении его оси. Если поступательная скорость прокатываемого металла меньше окружной скорости вследствие его вращения, прокатка называется также поперечно-винтовой, а если больше — продольно-винтовой. Поперечная прокатка применяется для обработки зубьев шестерён и некоторых других деталей, поперечно-винтовая — в производстве цельнокатаных труб, шаров, осей и других тел вращения.

К основным видам проката  относятся: полупродукт, или заготовка, листовой и сортовой прокат, катаные  трубы, заготовки деталей машин (особые виды проката) — колёса, кольца, оси, свёрла, шары, профили переменного  сечения и другое. Геометрическая форма поперечного сечения прокатного изделия называется его профилем, совокупность профилей разных размеров — сортаментом. Основное количество проката изготовляется из низкоуглеродистой стали, некоторая часть — из легированной стали и стали с повышенным (больше 0,4%) содержанием углерода. Прокат цветных металлов производится главным образом в виде листов, ленты и проволоки; трубы и сортовые профили из цветных металлов изготовляются преимущественно прессованием.

Технический прогресс в области  прокатного производства характеризуется  в первую очередь повышением качества прокатываемых изделий, которое  обеспечивало бы наиболее эффективное  использование металла потребителем. С этой целью прокатываемому изделию  придаётся, возможно, более рациональная форма, способствующая снижению его  массы, расширяется производство экономичных  профилей проката, повышается точность его размеров, улучшаются прочностные  и др. свойства металла, на его поверхность  наносятся эффективные защитные покрытия. Одновременно снижается стоимость  производственных затрат путём внедрения  непрерывных процессов (от жидкого  металла до готового проката), повышения  скорости прокатки и автоматизации  всех технологических процессов.

2. ВОЛОЧЕНИЕ

Волочение - деформирование металла протягиванием катаных или прессованных заготовок через отверстие с целью уменьшения их поперечного сечения или получения более точных размеров и гладкой поверхности. Усилие Р прикладывается к заострённому концу заготовки, который свободно проходит через инструмент — волоку и захватывается специальным захватом.

Заготовки перед волочением подвергают термической обработке  для снятия наклепа и придания металлу необходимых пластических и прочностных характеристик. Непосредственно  перед волочением заостряют конец  заготовки, удаляют окалину механическим, химическим или электролитическим  методами, промывают и наносят  подсмазочный слой, который должен удерживать смазку и предохранять рабочую поверхность волоки от налипания металла. Подсмазочный слой может быть различным: тонкий слой гидроксида железа, медный, фосфатный, известковый и др. В результате волочения заготовка приобретает форму и размеры отверстия волоки, её поперечные размеры уменьшаются, а длина увеличивается. Волочением можно получить проволоку диаметром менее 0,01 мм. Волочение труб производится тремя способами: без оправки, на короткой неподвижной оправке, на длинной движущейся оправке.

Волочение осуществляют на волочильных станах, состоящих из тянущего устройства и волочильного инструмента. По типу тянущего устройства волочильные станы подразделяются на станы с прямолинейным движением  протягиваемого материала (цепной, реечный, гидравлический) и с наматыванием его на барабан (барабанный тип). Станы  барабанного типа применяются в  основном для получения проволоки, редко для сплошных и полых  профилей и только для тех случаев, когда изгиб при наматывании  на барабан не нарушает формы поперечного  сечения.

Волочение — это холодный вид обработки давлением, в процессе которого заготовка упрочняется. Волочение  получило широкое применение в производстве пруткового металла, проволоки, труб и  других изделий постоянного сечения  и большой длины.

3. ПРЕССОВАНИЕ

Прессование – процесс  выдавливания металла из контейнера через одно или несколько отверстий  в матрице с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки. При прессовании реализуется  одна из самых благоприятных схем нагружения, обеспечивающая максимальную пластичность – всестороннее неравномерное сжатие. Это позволяет обрабатывать даже малопластичные материалы. Обычно коэффициент вытяжки при прессовании составляет 10-50, а в отдельных случаях может быть значительно выше. Прессование может выполняться двумя методами – прямым и обратным. При прямом методе заготовку помещают в полость контейнера и с помощью мощного пресса через пуансон и пресс-шайбу выдавливают нагретый или холодный металл через отверстие в матрице, укрепленной в матрице-держателе. При обратном прессовании давление пресса передается через полый пуансон с смонтированной внутри его матрицей. Таким образом, металл заготовки течет навстречу движению пуансона.

При прямом прессовании требуется  прикладывать значительно большее  усилие, так как часть его затрачивается  на преодоление трения при перемещении  металла заготовки внутри матрицы. Отчасти поэтому значительная часть  металла заготовки не может быть выдавлена из контейнера. Остающаяся его часть – пресс-остаток  – составляет в отдельных случаях 30-40 % от массы исходной заготовки. Усилие при обратном прессовании примерно на 25 % меньше, пресс-остаток также  почти вдвое меньше, чем при  прямом прессовании. Однако сложность  конструкции пресса, ограниченность размеров получаемых изделий по длине  препятствуют широкому применению способа  обратного прессования.

К достоинствам процесса прессования  следует отнести возможность  получения изделий сложных профилей, в том числе и пустотелых, не только из высокопластичных, но и малопластичных металлов и сплавов; универсальность применяемого оборудования, позволяющего легко переходить на производство профилей различных конфигураций; достаточно высокую точность размеров и малую шероховатость поверхности получаемых изделий.

В качестве силового агрегата для прессования наибольшее распространение  получили гидравлические прессы с усилием  прессования 1000 – 5000 т.

Прессование широко применяют  для получения изделий из меди, латуни, бронзы, алюминия, магния, цинка, титана, сталей, сплавов никеля.

4. КОВКА

Ковка, один из способов обработки металлов давлением, при котором инструмент оказывает многократное прерывистое воздействие на заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданную форму и размеры. Одновременно с этим при ковке улучшаются механические свойства литого металла исходной заготовки.

Основные операции ковки – осадка, протяжка, гибка, скручивание, рубка, пробивка, прошивка, кузнечная сварка.

Осадка – уменьшение высоты заготовки  при увеличении площади ее поперечного  сечения. Осадку производят бойками  или осадочными плитами. Заготовки, у которых отношение высоты к  диаметру или к меньшей стороне  поперечного сечения больше 2,5, осаживать  не рекомендуется во избежание возможного изгиба заготовки. Осадку применяют  для увеличения площади поперечного  сечения поковки.

Протяжка – удлинение заготовки  или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Она  осуществляется последовательными  обжатиями отдельных, примыкающих  друг к другу участков заготовки  при ее подачи вдоль оси. Разновидности  протяжки: раскатка и протяжка на оправке. Раскатка – увеличение диаметра кольцевой  заготовки при вращении за счет уменьшения ее толщины с помощью бойка  и оправки. При раскатке ширина кольца несколько увеличивается. Инструментами  для раскатки служат плоский боек, оправка и люнет. Протяжка на оправке  – увеличение длины прошитой или  просверленной заготовки за счет обжатия ее по обе стороны оправки  двумя бойками (нижним вырезным и  верхним плоским или обоими вырезными  бойками). При протяжке наружный диаметр  и толщина стенки заготовки уменьшаются. Раскаткой изготовляют поковки  колец, а протяжкой на оправке  – поковки сосудов высокого давления, стволов орудий и др.

Гибка – образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы. Гибку осуществляют с помощью различных опор, приспособлений и в подкладных штампах.

Скручивание – поворот части  заготовки вокруг продольной оси. Осуществляют ее, например, при развороте колен  коленчатых валов.

Рубка – полное отделение части  заготовки по незамкнутому контуру  путем внедрения в заготовку  деформирующего инструмента. Рубку  осуществляют топорами для удаления прибыльной и донной частей слитка, лишних концов поковки или для разделения длинной поковки на более короткие части.

Пробивка – образование в  заготовке отверстия с удалением  материала в отход путем сдвига. Отверстия диаметром до 500 мм пробивают сплошным прошиванием с применением подкладного кольца, а отверстия большего диаметра прошивают полым прошиванием, применяя в случае высокой заготовки надставки. Часть металла удаляют при этом вместе с прошивнем.

Прошивка – получение полостей в заготовке за счет вытеснения материала. Она служит самостоятельной операцией  для образования отверстия либо подготовительной операцией для  последующей раскатки или протяжки заготовки на оправке.