Обработка давлением. Общие сведения

Обработкой давлением называется изменение формы заготовок под воздействием внешних сил (например, удара молота, давления пресса).

С возникновением остаточных деформаций от удара или давления металл меняет свою форму в желаемом направлении без разрушения. Одновременно происходит изменение структуры металла, его механических и физических свойств. Такое необратимое изменение формы называется пластической деформацией. Для создания пластической деформации металл необходимо подвергнуть напряжениям, которые больше его предела упругости, но меньше предела прочности.

Обработка давлением применима только к металлам, обладающим достаточной пластичностью, и неприменима к хрупким металлам (например, к чугуну). Давлением обрабатывают сталь, медные, алюминиевые, магниевые и другие сплавы.

Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.

Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия.

Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.

Классификация процессов обработки давлением

Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом.

По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:

- для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей - прокатка, волочение, прессование;

- для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности - ковка, штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки являются:

- сжатие между плоскостями инструмента - ковка;

- ротационное обжатие вращающимися валками - прокатка;

- затекание металла в полость инструмента - штамповка;

- выдавливание металла из полости инструмента - прессование;

- вытягивание металла из полости инструмента - волочение.

Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. В связи с этим предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки давлением.

Обработка давлением может производиться как в холодном, так и в горячем состоянии. В процессе пластической деформации металла в холодном состоянии вследствие деформирования микроструктуры твердость и хрупкость металла непрерывно увеличиваются, а пластичность и вязкость уменьшаются. Эти изменения свойств называются упрочнением (наклепом). Процесс замены деформированных, вытянутых зерен новыми, равновесными, происходящий при определенных температурах, называется рекристаллизацией. При температурах, ниже температуры начала рекристаллизации наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) размеры и форма деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но в значительной степени снимаются остаточные напряжения, возникающие при литье, обработке давлением. С увеличением температуры нагрева пластичность металла непревывно увеличивается, а его прочность – сопротивление деформированию снижается.

Горячая деформация - деформация, после которой металл не получает упрочнения.

При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

Схемы напряженного и деформированного состояний

Схемы напряженного состояния графически отображают наличие и направление главных напряжений в рассматриваемой точке тела.

Напряжения в точке изображаются как напряжения на трех бесконечно малых гранях куба, соответственно перпендикулярных главным осям.

Возможны девять схем напряженного состояния. Напряженное состояние в точке может быть линейным, плоским или объемным.

Закономерности обработки давлением. Характеристики деформаций

Процессам обработки металлов давлением присущи определенные закономерности.

Закон постоянства объема. Пластическая деформация практически не влияет на плотность металла, поэтому действует закон постоянства объема: объем тела при его пластической деформации остается неизменным:

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 затраченных работ - кубу отношений соответствующих линейных размеров.

Закон наименьшего сопротивления. В случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая точка перемещается в направлении наименьшего сопротивления.

Деформацию принято оценивать следующими величинами.

1. Абсолютные деформации:

- обжатие;

- уширение;

- удлинение.

2. Относительные деформации:

или - относительное обжатие или относительная высотная деформация;

или - относительное уширение или относительная поперечная деформация;

или - относительное удлинение или относительная продольная деформация.

3. Коэффициент, определяющий изменение длины обрабатываемого изделия - . Его называют вытяжкой или коэффициентом вытяжки.

Технологические свойства

При выборе металла или сплава для изготовления изделия различными способами обработки давлением учитывается способность материала к данному методу обработки.

Ковкость - свойство металла изменять свою форму под действием ударов или давления, не разрушаясь.

Степень ковкости зависит от многих параметров. Наиболее существенным из них является пластичность, характеризующая способность материала деформироваться без разрушения. Чем выше пластичность материала, тем большую степень суммарного обжатия он выдерживает.

Состав и структура металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность.

Характер напряженного состояния. Один и тот же материал проявляет различную пластичность при изменении схемы напряженного состояния. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Появление в схеме растягивающих напряжений снижает пластичность. Самая низкая пластичность наблюдается при схеме всестороннего растяжения.

Неравномерность деформации. Чем больше неравномерность деформации, тем ниже пластичность. Неравномерность деформации вызывает появление дополнительных напряжений. Растягивающие напряжения всегда снижают пластичность и способствуют хрупкому разрушению.

Скорость деформации. С повышением скорости деформации в условиях горячей деформации пластичность снижается.

Влияние температуры. Влияние температуры неоднозначно. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, с повышением температуры, становятся более пластичными. Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии.

Прокат и его производство

Прокаткой называется вид обработки давлением, при которой процесс деформации металла осуществляется сдавливанием его между вращающимися цилиндрами (валками). Сдавливаемый металл вытягивается в продольном направлении, сжимаясь в вертикальном направлении и уширяясь в поперечном направлении. Вследствие возникновения трения между прокатываемым металлом и валками последние одновременно с деформированием осуществляют подачу до тех пор, пока вся заготовка не пройдет в зазор между валками. Окончательные размеры и форма поперечного сечения полученного прокаткой изделия определяются профилем отверстия между сжимающими металл валками. Прокаткой обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы.

Прокатка бывает продольной, если заготовка движется в направлении, перпендикулярном к осям валков, и поперечной – при движении заготовки вдоль осей валков. Валки изготавливаются из углеродистой и легированной стали, а также из высокопрочного чугуна. Они бывают гладкими и калиброванными, т. е. имеющими ручьи определенного профиля Ручьем называется профиль выреза на боковой поверхности валка, калибром называется профиль, составляемый смежными ручьями двух валков).

Технологический процесс прокатки

Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки.

Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии. Начинается в горячем состоянии и проводится до определенной толщины заготовки. Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодном виде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячая обработка затруднена).

Основными технологическими операциями прокатного производства являются подготовка исходного металла, нагрев, прокатка и отделка проката.

Подготовка исходных металлов включает удаление различных поверхностных дефектов (трещин, царапин, закатов), что увеличивает выход готового проката.

Нагрев слитков и заготовок обеспечивает высокую пластичность, высокое качество готового проката и получение требуемой структуры. Необходимо строгое соблюдение режимов нагрева.

Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимости от температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марок углеродистой стали начинается при температуре 1200: 1150 ⁰С, а заканчивается при температуре 950: 900⁰С.

Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерное охлаждение приводит к образованию трещин и короблению.

Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удаление поверхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю.

Правка проката

Изделия, полученные прокаткой, часто требуют правки. Иногда правку выполняют в горячем состоянии, например, при производстве толстых листов. Но обычно в холодном состоянии, так как последующее охлаждение после горячей правки может вызвать дополнительное изменение формы.

Процесс правки заключается в однократном или многократном пластическом изгибе искривленных участков полосы, каждый раз в обратном направлении.

Правку можно выполнять и растяжением полосы, если напряжения растяжения будут превышать предел текучести материала.

Роликоправильные машины с параллельно расположенными роликами предназначены для правки листа и сортового проката.

Правильные машины с косо расположенными гиперболоидальными роликами предназначены для правки труб и круглых прутков.

Растяжные правильные машины используют для правки тонких листов (менее 0, 3 мм), трудно поддающихся правке на роликоправильных машинах.

Разрезка и заготовительная обработка проката

Производится на заготовительных участках механических цехов различными способами, отличающимися производительностью, точностью заготовки, стойкостью инструмента и др.

Разрезка пилами применяется для относительно крупных заготовок, в основном из цветных металлов. Основными недостатками являются низкая производительность и значительные потери металла на рез. Применяются пилы зубчатые и гладкие (трения).

Разрезка на эксцентриковых пресс-ножницах применяется для стального проката круглого или квадратного сечения до 300 мм. Является наиболее производительным и дешевым процессом разделки проката на заготовки. Основными недостатками являются косой рез и смятие концов заготовки. Применяют ножи с плоской режущей кромкой и с ручьями.

Разрезка на токарных полуавтоматах отрезными резцами.

Электроискровая и анодно-механическая резка обеспечивает максимальную точность размеров. Применяется для особо прочных металлов.

Разрезка на прессах-хладоломах применяется для заготовок крупного сечения. На заготовке предварительно делается надрез пилой или газовым резаком.

Газопламенная разрезка смесью ацитилена и кислорода.

Плазменно-дуговая разрезка применяется для высоколегированных тугоплавких сталей и сплавов.