Обробка металів тиском

Обробка металів тиском

Реферат

Обробка металів тиском

Обробка металів тиском (ОМТ) - це один з прогресивних способів формоутворення деталей, який базується на пластичній деформації металів.

Процеси ОМТ відрізняються від ливарного виробництва і особливо обробки різанням високою продуктивністю, економною витратою матеріалу та покращенням механічних властивостей металу.

Тиском виготовляють профільні вироби (рейки, кутники, двутаври, швелери тощо) та листовий метал.

В основі обробки металів тиском лежить три закони:

. Об’єм заготовки до обробки тиском дорівнює об’єму виготовленого виробу (закон рівності об’ємів).

. При пластичній деформації кожна точка в металі переміщується в сторону найменшого опору (закон найменшого опору).

. Пластична деформація настає тоді, коли прикла- дена напруга рівна або більша напруги межі текучості металу.

Кожний з перелічених законів на перший погляд є очевидним, проте має суттєве значення при розрахунках на практиці. Закон рівності об’ємів дозволяє брати необхідну кількість матеріалу для виготовлення того чи іншого виробу. Хоча на практиці треба враховувати незначну втрату металу на окалину (1 - 2 %). Знання закону найменшого опору дозволяє орієнтуватись, куди буде переважно деформуватись метал при прикладенні зовнішнього тиску. Наприклад, якщо взяти з металу заготовку кубічної форми і наносити по ній удари молотом, то, користуючись цим законом, не важко відповісти, як буде змінюватись форма заготовки і чому в кінцевому результаті буде точний круг.

Третій закон ОМТ пов’язаний з силовою характеристикою деформації. Найкращі умови зміни форми заготовки у форму виробу виникають, коли метал тече, тобто тоді, коли прикладене зусилля не тільки більше за необхідне для пружної деформації, а й здатне викликати явище текучості металу.

Пластична деформація металу може відбуватись ковзанням і двойникуванням (рис. 1).

Рис. 1.

Ковзання являє собою зсув однієї частини металу відносно іншої вздовж певних кристалографічних площин і напрямків. Зсув відбувається, як правило, по найбільш щільноупакованим атомним площинам і напрямкам.

При двойникуванні деформація зосереджується в невеликому об’ємі металу, причому частина, яка змішується, є ніби дзеркальним відображенням частини, яка не деформувалась.

Якщо металам з решітками ГЦК і ОЦК більш властива деформація ковзанням, то з ГЩУ решіткою - двойникування. Деформація двойникуванням в металах з решітками ГЦК і ОЦК може проявитись лише при низьких температурах і високих швидкостях деформації.

Металографічне вивчення механізму деформації показало, що по мірі деформації зерна повертаються і витягуються в напрямку діючого навантаження і поступово набувають однакову або близьку кристалічну орієнтацію (текстуру), структура стає волокнистою, а квазіізотропний метал - анізотропним. Це явище називається наклепом.

При цьому метал має найбільшу міцність. Коли ж перейти межу наклепу, то виникають тріщини, розшарування металу. Тому подальша деформація можлива лише при відновленні (рекристалізації) структури спеціальним відпалом.

Деформування металу в значній мірі залежить від температури. Нагрів металу сприяє зменшенню опору деформації та підвищенню його пластичності.

Розрізняють холодну та гарячу деформації, які здійснюються відповідно при температурах нижче і вище температури рекристалізації. При гарячій обробці метал практично не наклепується, а при холодній зміцнення росте в залежності від степені деформації. Тому при холодній обробці для отримання великої зміни форми застосовують проміжний рекристалізаційний відпал.

Гарячій обробці підлягає більшість металів та сплавів, тому що це сприяє зменшенню енергетичних витрат. Проте при гарячій обробці на поверхні металу утворюється окалина, яка при деформації вдавлюється в середину металу і приводить до надривів, тріщин.

Вибір холодної і гарячої ОМТ залежить від багатьом факторів. Він здійснюється в кожному конкретному випадку окремо.

Зміна механічних властивостей металу залежить від швидкості деформації. Збільшення швидкості деформації частіше приводить до росту зміцнення і зсуву гарячої обробки в бік більш високих температур. Пластичність змінюється не однозначно - можливе як її підвищення, так і зниження.

Наприклад, сама по собі пластична мідь при малих швидкостях деформації в області температур 300 - 600 °С стає дуже крихкою, а підвищення швидкості деформування приводить до усунення провалу пластичності. Аналогічно відбувається і в латуней, нікелю, алюмінію та ін.

Будь-який процес ОМТ характеризується осередком де формації та коефіцієнтом деформації.

Розглянемо для прикладу осередок деформації і його параметри при повздовжній прокатці між двома валками (рис. 2).

Рис. 2

Осередок деформації (на рисунку заштрихована ділянка) ха рактеризується дугою захвату АВ і кутом захвату α. Зміну висоти H2 - H1, ширини B1 - B0 і довжи ни L - L0 після деформації називають відповідно абсолютним стисненням, уширенням та витяжкою. Значно зручніше висотну, поперечну та поздовжню деформармацію заготовки характеризувати відповідними коефіцієнтами:

стиснення α =  , уширення β =  і витяжки μ =

Ці коефіцієнти зв’язані між собою, оскільки об’єм заготовки до деформації рівний об’єму після деформації.

 = ;  = ; α = βμ.

Виходячи з характеру обробки виділяють такі види ОМТ: прокатку, пресування, ковку, штамповку та волочіння.

Прокаткою називають процес ОМТ валками прокатно- го стану, які обертаються. Розрізняють поздовжню, попереч- ну та косу прокатку. При повздовжній прокатці (рис. 3, а) метал стискується між валками, які обертаються назустріч один другому і переміщається перпендикулярно до їх осі. Це самий поширений вид прокатки.

Поперечна прокатка металу (рис. 3, б) здійснюється між валками, які обертаються в одному напрямі. Заготовка отри- мує обертальний рух в напрямі протилежному обертанню валків. Таким способом виготовляють періодичний прокат.

а)                        б)                  в)

Рис. 3.

При косій прокатці (рис. 79, в) бочкоподібні валки, які розташовані під кутом один до іншого і обертаються в одному напрямі, придають заготовці обертальний і поступальний рух. Цей спосіб застосовують для прошивки заготовок з метою отримання гільз для виготовлення труб.

Прокатку здійснюють на прокатних станах, які складаються з однієї чи декількох робочих кліток. У клітках розміщують гладкі або калібровані валки. У валках з гладкою поверхнею прокатують листовий метал. Для прокату сортового металу (рейок, кутників, швелерів, двутаврів, дроту) на робочій поверхні валків нарізають струмки. Пара валків з струмками утворює калібр.

Валки виготовляють з чавуну та сталі, інколи їх поверхню покривають твердими сплавами. Валки встановлюють у підшипниках на опорах станини. Приводять в рух за допомогою електродвигуна через редуктор.

По кількості та розташуванню валків в робочій клітці стани поділяють на: двовалкові (дуо), тривалкові (тріо), чотиривалкові (квадро), багатовалкові та універсальні.

Дуостани можуть бути реверсивні та нереверсивні. На реверсивних станах прокатують блюми та сляби, а нереверсивних - заготовки, сортовий прокат, листи, стрічки. Тріостани дозволяють вести прокатку в одну сторону між нижніми і середніми валками, а в зворотну сторону - між середнім і верхнім валками. На них прокатують рейки, балки, тонкий лист тощо. Квадростани мають два робочих (малого діаметру) і два опорних (великого діаметру) валки. Ці стани застосовуються для холодної та гарячої прокатки листового металу. Багатовалкові стани мають два робочих валки, які опираються на провідні та опорні валки. Це забезпечує велику жорсткість конструкції та запобігає прогинанню робочих валків. Застосовують їх для виготовлення тонкого листового металу.

За кількістю кліток прокатні стани розділяють на одно- і багатокліточні. Розташування кліток може бути лінійним (в одну, дві та більше ліній), послідовним, шахматним, неперервним (прокатка проходить одночасно в декількох клітках), напівнеперервним.

По призначенню стани можна розділити на ті, які виробляють заготовки для переробки їх в готовий прокат і ті, які виготовляють готові вироби.

Вихідним продуктом прокатного виробництва є злитки різної форми, розмірів і маси. Їх отримують при розливці сталі у виливниці або неперервним способом. Із злитків отримують напівпродукт у вигляді блюмів і слябів. З блюмів отримують сортовий прокат, а з слябів виготовляють листовий метал.

Для прокатки блюмів застосовують стани блюмінги, слябів - слябінги.

Прокатні стани мають велику кількість допоміжних машин, які можна розділити на дві основні системи. Перша система допоміжних машин служить для виконання всіх допоміжних операцій, які пов’язані з прокаткою, розрізанням і транспортуванням прокатної продукції, а друга система - для кінцевої обробки металопродукції. До основних машин першої системи відносять: рольганги для передачі продукції від нагрітих печей до першої клітки стану, для транспортування металу після прокатки до печей для розрізання, до холодильників; маніпулятори та кантувателі, які обслуговують першу клітку стану; підйомно-качаючі столи та кантувателі у другій лінії стану, салазкові пили; машини для нанесення клейма; гибочні машини; холодильники. Всі ці машини забезпечують один ритм виконання технологічних операцій.

Друга система допоміжних машин служить для кінцевої обробки продукції прокату. Наприклад, при прокатці рейок їх торці треба фрезерувати, загартувати, просвердлити отвори тощо. Ці машини розташовані по принципу послідовності виконання технологічних операцій.

Особливу групу прокатних станів становлять трубопрокатні стани. Вони розділяються на три групи: прошивні, розкаточні та кінцевої обробки.

При прошивці заготовки на стані поперечно-гвинтової прокатки в осьовій зоні металу виникають внутрішні розтягуючі напруги, які досягають значних величин, викликають самовільне утворення порожнин, що приводить до браку. Для отримання внутрішнього отвору необхідного діаметру та з рівною поверхнею застосовують оправку. Вона представляє собою стержень з пробкою на кінці. Оправка вставляється між валками на шляху руху заготовки, а її задній кінець закріплений у спеціальному упорі. При русі вперед заготовка наштовхується на оправку. При цьому відбувається розширення і вирівнювання отвору в заготовці.

На розкаточних станах отримують безшовні труби, труби точного діаметру.

Після прокатки на розкаточних станах труби поступають на стани кінцевої обробки. Вони бувають обкаточні, калібровочні та редукційні.

Обкаточний стан призначений для розкатки стінки труби та поліровки зовнішньої та внутрішньої поверхонь для отримання рівномірної товщини стінки та однакового діаметра труби по довжині. Калібровочні стани встановлюються за обкатними. Вони призначені для усунення овальності та отримання труб заданого діаметру. Редукційні стани дають можливість отримувати труби без оправки з метою зменшення їх діаметру.

Зварні труби виготовляють на трубозварочних станах. Процес отримання труб полягає в тому, що спочатку виготов- ляється металічна полоса, а потім з неї гнеться труба і зварюється. Зварюють труби кузнечною сваркою, хоча можна зварювати і електродуговою сваркою.

Останнім часом набувають поширення гнуті профілі. Їх застосування замість зварних конструкції в будівництві, що дозволяє економити до 30% металу. Гнуті профілі виготовляють неперервним способом на багатокліткових ролико-гибочних станках з стального листа, кутників, швелерів та іншого прокату.

Періодичний прокат - полоса змінного перерізу по довжині, заготовки для штамповки деталей з місцевим потовщенням, лопатки, труби, осі вагонів - отримують на станах поперечної прокатки, їх застосування дає економію до 30% металу.

У даний час ведуться роботи по удосконаленню прокатного виробництва. Так, розробляються конструкції прокатних станів з підведенням ультразвуку до валків, що дозволяє підвищити ресурси пластичності металу та зменшує енергетичні витрати. Все ширшого застосування знаходить ідея поєднання лиття з деформацією полоси у валках. В даний час освоєна беззлиткова прокатка алюмінію, міді та їх сплавів. Наприклад, заготовки можна отримувати, заливаючи рідкий алюміній в обод шківу, який має канавки (струмки). Рідкий метал і шків поливається водою. Метал кристалізується, а отримана заготовка поступає на прокатний стан.

Беззлиткова прокатка має ряд переваг перед іншими способами: мала втрата металу, висока продуктивність, спрощений процес отримання прокату.

Пресування - це вид ОМТ, при якому технологічний процес заключається у видавлюванні металу пуансоном із закритого контейнера через отвір у матриці. Профіль виробу визначається отвором у матриці.

Пресуванням виготовляють прутки діаметром 5 - 300 мм, труби з внутрішнім діаметром 15 - 700 мм і товщи- ною стінки 1,25 - 50 мм. Цим способом можна отримати вироби складної форми, які не можна виготовити іншими способами ОМТ. Виготовлена пресуванням продукція відрізняється точністю розмірів. М’яка схема напруженого стану дозволяє деформувати на 85 - 90 % навіть малопластичні і труднодеформуємі метали та сплави.

Розрізнюють пряму, зворотну та з боковим витіканням схеми пресування (рис. 4).

а)                     б)                      в)

Рис. 4.

деформація метал тиск прокатка

При прямому методі (б) напрям руху металу та руху пуансона співпадає. При зворотному (а) метал рухається в протилежному напрямку до руху пуансона. В третій схемі пресування метал рухається під кутом до руху пуансона (в). Зворотний метод пресування більш економний за прямий - зменшуються відходи непродеформованого металу, зменшуються зусилля пресування, практично відсутнє ковзання заготовки по стінкам контейнера.

Серед високопродуктивних методів пресування слід відмітити гідропресування (гідроекструзію) рідиною високого тиску та пресування з використанням енергії вибуху.

Це вид ОМТ при якому задану форму та розміри виробу отримують багатократною дією зусилля на нагріту заготовку.

Розрізняють ковку в штампах і без штампів, вільну ковку. При вільній ковці переміщення деформованого металу не зустрічає опору з боку штампу. Цим способом можна ковати злитки масою до 250 т і більше.

Крім того, ковку підрозділяють на ручну та механічну. Ручну ковку здійснюють молотом на наковальні. Застосовують її для індивідуального виготовлення дрібних виробів або при ремонтних роботах. Механічну ковку проводять за допомогою спеціальних молотків та пневматичних і гідравлічних пресів. Молотки використовують для виготовлення виробів середніх розмірів, а преси - для виготовлення великих виробів. Всі типи молотів і пресів мають рухомі (баба і верхній бойок) і нерухомі (шабот і нижній бойок) частини.

Ковати можна відливки та катаний метал. При ковці литого металу процеси перетворення дендрітної будови металу в зернисту та поява волокнистої структури в цілому не відрізняється від аналогічних процесів при прокатці металу.

В процесі ковці можна отримати вироби складної форми і несиметричної, зігнутої, з відростками тощо. Ковкою отримують деталі не тільки необхідної форми, точних розмірів і з чистою поверхнею, але й із заданими властивостями в необхідному напрямку.

Це вид ОМТ, при якому формоутворення виробу відбувається в спеціальних пристроях - штампах. Штамповкою виготовляють різноманітні вироби і кузовні деталі автомашин, картери двигунів внутрішнього згоряння, частини парових котлів, поковки, посуд тощо.

Штамповку розділяють на листову та об’ємну.

Листовою штамповкою виготовляють плоскі або просторові тонкостінні вироби з сталі, кольорових металів та сплавів.

Суть листової штамповки полягає в слідуючому. Лист металу кладуть на матрицю, яка має порожнину, форма і розміри якої відповідають формі та розмірам зовнішньої поверхні виробу. По краям цей лист металу спеціальним пристроєм закріплюється. Потім пуансоном метал вдавлюється у матрицю. Пуансон має форму та розміри внутрішньої частини виробу. При цьому метал, внаслідок пластичної деформації, «вкладується» у матрицю.

Метал, з якого виготовляють виріб, може бути холодний і нагрітий. Відповідно розрізняють холодну та гарячу, штамповку. При холодній штамповці використовують листові заготовки товщиною від сотих долей до 4мм, при гарячій - товщиною більше 4мм.

Вироби, виготовлені листовою штамповкою, відрізняються високою точністю і не потребують подальшої обробки на металоріжучих верстатах. Операції листової штамповки поділяються на розділяючі (відрізання, вирубка, пробивка тощо) і формозмінюючі (гибка, витяжка, формовка, відбортовка тощо).

Складність листової штамповки полягає в забезпеченні рівномірної витяжки металу по всій площі. Особливо це стосується виробів з вертикальними стінками. Тому ведуться пошуки заміни пуансона середовищем, яке б створювало рівномірний тиск по всій площі листка металу.

Можна, наприклад, здійснити електрогідравлічну штам- повку. Короткочасний електричний розряд в рідкому середовищі створює ударну хвилю, тиск якої досягає декількох тисяч кілопаскалей. При такому тиску можна здійснити штамповку навіть малопластичних металів.

При виготовленні крупногабаритних виробів з товстого листового металу можна застосовувати штамповку вибухом. Під час вибуху ударна хвиля створює величезний тиск на лист металу, що спричинює зміну його форми у відповідності з порожниною у штампі. Штамповкою вибухом можна виготовити вироби навіть з високоміцних та нержавіючих сталей.

Об’ємною штамповкою виготовляють об’ємні вироби, поковки. При цьому використовують штампи з порожнинами, форма і розмірі яких відповідають формі та розмірам виробу. Якщо виріб симетричний, то штампи однакові. Наприклад, при виготовленні слюсарного молотка у нижній штамп кладуть нагріту заготовку, а таким же верхнім за допомогою преса давлять на заготовку. Вона деформується і заповнює простір у штампах.

Волочіння - це процес ОМТ, при якому метал протягується через отвір спеціального інструменту - волоку (фільєру). В результаті процесу волочіння заготовка обжимається, тобто змінює профіль та розміри поперечного перерізу і збільшується в довжину. Волочіння проводиться через одну або декілька волок. Коефіцієнт витяжки за один прохід складає 1,2 - 1,6 при обжиму на 16 - 40 %.

Волочінням виготовляють дріт діаметром від декількох міліметрів до 10 мм і більше, труби різних діаметрів, а також точні фасонні профільні вироби різного призначення.

Вироби, які вироблені волочінням, мають велику точність і чистоту поверхні. При волочінні завдяки наклепу значно підвищуються механічні властивості металу.

Волоки виготовляються з сталі У8, УІ2, ХІ2М, твердих сплавів ВК2, ВКЗ, а для отримання тонкого дроту (менше 0,3 мм) - з алмазу.

Волочіння може відбуватись в холодному і гарячому стані із значним змащенням. Вироби з алюмінію, міді та їх сплавів, сталі волочать при кімнатній температурі з проміжними відпалами для зняття наклепу. Крихкі метали (молібден, вольфрам та ін.) обробляють в гарячому стані в захисній атмосфері або у вакуумі.

Для зниження зусиль при волочінні останнім часом застосовують ультразвук.

Волочіння відбувається на волочільних станах, які складаються з волоки та тягнучих пристроїв. Волочильні стани в залежності від принципу роботи тягнучого пристрою можуть бути двох видів: з прямолінійним рухом металу і з намотуванням на барабан. Стани з прямолінійним рухом оброблюваної заготовки застосовують для волочіння або калібрування прутків, труб та інших виробів. До них належать ланцюгові та рейкові волочільні стани. Стани з намотуванням на барабан застосовують при виготовленні дроту, спеціальних профілів та тонких труб.

Прямолінійні стани можуть бути одно- і багатопоточні (до 5 виробів одночасно). На барабанних станах здійснюється процес як однократного, так і багатократного волочіння. Стани для багатократного волочіння мають від 6 до 20 - 30 волок і призначені для отримання тонких і ультратонких профілів.

Література

1. Основная литература

. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.

. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990.

. Материаловедение / Под. общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

. Дополнительная литература

. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. - М.: Металлургия, 1983.

. Гуляев А.П., Малинина К.А., Саверина С.М. Инструментальные стали: Справочник. - М.: Машиностроение, 1975.

. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. - М.: Машиностроение, 1992.

. Калачев Б.А., Ливанов Б.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: МИСИС, 2005.

. Коршунова Т.Е., Овсянникова Г.Л. Принцип обозначения марок черных и цветных сплавов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1998.

. Коршунова Т.Е. Микроанализ. Твердость материалов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1999.

. Коршунова Т.Е. Диаграммы состояния сплавов (основные системы). - Владивосток: Изд-во ДВГТРУ, 1998.

. Коршунова Т.Е. Строение, свойства и применение сталей и чугунов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003.

. Коршунова Т.Е. Влияние термической обработки на структуру и свойства углеродистых сплавов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1995.