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

Технологии производства заготовок методом 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 пластической деформации. Этим методом изготавливают заготовки и изделия массой от нескольких граммов до сотен тонн из металлов и сплавов. Обработка металлов давлением включает: прокатку, ковку, штамповку, прессование и волочение. Это один из прогрессивных и распространенных методов получения заготовок деталей машин.

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.

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. При прокатке металл, как правило, подвергается значительной пластической деформации сжатия, в связи, с чем разрушается его первичная литая структура и вместо неё образуется структура, более плотная и мелкозернистая, что обусловливает повышение качества металла. Таким образом, прокатка служит не только для изменения формы обрабатываемого металла, но и для улучшения его структуры и свойств.

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.

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.

Продольно-винтовая прокатка находит применение при производстве свёрл. При продольной прокатке, когда металл проходит между валками, высота его сечения уменьшается, а длина и ширина увеличиваются.

Область (объём) между валками, в которой прокатываемый металл непосредственно с ними соприкасается, называется очагом деформации; здесь происходят обжатие металла. Небольшие участки, примыкающие с обеих сторон к очагу деформации, называются неконтактными зонами деформации; в них металл деформируется лишь в незначительной степени. Очаг деформации состоит из двух основных участков: зоны отставания, в которой средняя скорость металла меньше горизонтальной составляющей окружной скорости валков, и зоны опережения, в которой скорость металла относительно выше. Поэтому скорость выхода прокатываемого металла из валков несколько больше (на 2--6%) их окружной скорости. Граница между этими зонами называется нейтральным сечением. Силы трения, действующие на прокатываемый материал от валков, в зоне отставания направлены по его движению, в зоне опережения -- против. Захват металла валками и стабильность протекания процесса обусловливаются силами трения, возникающими на контактной поверхности металла с валками.

Прокатное производство - получение путём прокатки из стали и других металлов различных изделий и полуфабрикатов, а также дополнительная обработка их с целью повышения качества (термическая обработка, травление, нанесение покрытий). Прокатное производство обычно организуется на металлургических заводах (реже на машиностроительных), как правило, особенно в чёрной металлургии, является завершающим звеном цикла производства. Прокатанный металл используют непосредственно в конструкциях машин, механизмов оборудования, из него изготавливают металлические конструкции мостов, ферм, станины, клепаные и сварные изделия, железобетонные конструкции и др; он же служит заготовкой для механических цехов, а также для последующей ковки и штамповки.

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.

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. В первом случае уменьшается диаметр трубы, во втором и третьем диаметр и стенка трубы.

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.

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. Они не боятся перегрузки, позволяют регулировать в широких пределах скорость перемещения силового плунжера, легко автоматизируются, в том числе с помощью систем программного управления.

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

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.

Кузнечная сварка - образование неразъемного соединения под действием давления в нагретом состоянии. В связи с развитием новых видов сварки эта операция применяется редко.

Различают ковку в штампах и без применения штампов -- так называемую свободную ковку. При ковке в штампах металл ограничен со всех сторон стенками рабочей полости штампа и при деформации приобретает форму, соответствующую этой полости. При свободной ковке (ручной и машинной) металл не ограничен совсем или ограничен с одной стороны. При ручной ковке кувалдой или молотом воздействуют непосредственно на металл или на инструмент. Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании -- молотах с массой падающих частей от 1 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2--200 Мн (200--20000 тс), а также на ковочных машинах.

Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном -- свободная ковка.

ШТАМПОВКА

Штамповка - процесс обработки металлов давлением, при котором формообразование детали осуществляется в специализированном инструменте -- штампе. По виду заготовки различают объёмную штамповку и листовую штамповку, по температуре процесса -- холоднуюштамповку и горячую. По сравнению с ковкой штамповка обеспечивает большую производительность благодаря тому, что пластически деформируется одновременно вся заготовка или значительная её часть.

Объёмная штамповка (или штамповка сортового металла) по сравнению с ковкой позволяет получать поковки более сложной конфигурации, требующие значительно меньшей обработки резанием для окончательного оформления детали. При объёмной штамповке течение металла ограничивается стенками полости штампа, что вызывает увеличение сопротивления деформированию тем в большей степени, чем сложнее конфигурация поковки. Нагрев заготовки позволяет примерно в 10--15 раз снизить сопротивление деформированию, а также повысить пластичность металла. Холодная штамповка сортового металла применяется для изготовления небольших деталей -- массой менее 1 кг, горячая -- для деталей массой 1,5?2 т; более тяжелые поковки изготовляются ковкой. Границы между этими процессами изменяются по мере совершенствования кузнечно-прессового оборудования и увеличения развиваемого ими усилия деформирования. Поскольку стоимость штампов наряду со стоимостью металла заготовки является основной составляющей себестоимости поковки, применение объёмной штамповки экономически выгодно при серийном производстве.

Объёмная штамповка сопровождается потерями металла с удаляемым заусенцем. Меньшие отходы даёт штамповка в закрытых штампах, однако удельные нагрузки в них больше, чем в открытых, что приводит к уменьшению стойкости штампов. Снижение отходов при штамповке в открытых штампах достигается предварительной обработкой заготовки в заготовительных ручьях, ковочных вальцах, использованием заготовок, приближающихся по форме к поковке, а также выбором рациональной формы канавки для заусенца.

При горячей штамповке поверхность заготовки окисляется, образуя слой окалины, что также ведёт к потерям металла; потери металла с окалиной сокращаются при безокислительном нагреве в пламенных печах (с защитной атмосферой) или скоростном нагреве в индукционных нагревательных установках. Применение высокоскоростной штамповки (скорость подвижных частей молота 10--25 м/сек) позволяет уменьшить охлаждение заготовки в процессе деформирования и получать детали с тонкими ребрами. Для уменьшения охлаждения заготовки применяют также изотермическую штамповку (главным образом цветных металлов), при которой штамп нагревают до температур, близких к ковочным. Начинает применяться совмещение литья с горячей штамповкой, при котором отливается заготовка, близкая по форме к поковке; после застывания металла и охлаждения до ковочных температур заготовку штампуют в открытых или закрытых штампах. Штамповка улучшает механические свойства литой заготовки; образующиеся отходы сразу поступают на переплавку.

При листовой штамповке заготовкой служит лист, полоса или лента. Применяется листовая штамповка для изготовления плоских и пространственных (в т. ч. сложных) деталей, у которых толщина значительно меньше др. размеров -- обычно менее 10 мм. Заготовки большей толщины обычно штампуют с нагревом до ковочной температуры (горячая листовая штамповка). При листовой штамповке (особенно холодной) отделочная обработка деталей резанием, как правило, не требуется. Листовая штамповка рациональна в производствах с различной серийностью.

В мелкосерийном производстве применяются особые способы штамповки: штамповка эластичными средами (жидкостью, резиной, полиуретаном и т.п.), импульсная штамповка, использующая энергию ударной волны в жидкости (взрывная и электрогидравлическая штамповка) или действие мощных быстроменяющихся магнитных полей (электромагнитная штамповка). С целью увеличения допустимого формоизменения заготовки иногда применяется штамповка с дифференцированным нагревом. В этом случае деформируемая часть заготовки нагревается за счёт контакта с нагретым инструментом или при прохождении через неё электрического тока. Рациональное распределение температур в заготовке и соответственно механических свойств металла значительно повышает допустимое формоизменение заготовки.

Для штамповки используются разнообразные машины: молоты, кривошипные прессы, горизонтально-ковочные машины, гидравлические прессы, кузнечно-штамповочные автоматы и др. В крупносерийном производстве для штамповки применяют автоматы и автоматизированные линии, а также всевозможные загрузочные и манипулирующие устройства (включая промышленных роботов), позволяющие существенно повысить производительность труда.

Задача 1

На титановый стержень сечением и длиной действует сила растяжения . Определить величину удлинения стержня.

Решение:

Напряжение в сечении стержня определим по формулу (1.1):

.

Так как напряжение в сечении меньше предела прочности титана (предел прочности для титана см. таблицу 1.1: ), то стержень под действием данной нагрузки не разрушится.

Модуль упругости для титана (см. таблицу 1.1) .

Величину удлинения стержня выразим из формулы (1.2):

.

 

Таблица 1.1

Значения предела прочности и модуля упругости некоторых материалов

Материал	Предел прочности, МПа	Модуль упругости, МПа
Сталь
Медь
Латунь
Алюминий
Вольфрам
Титан
Стекловолокно

 

Задача 2

Нормативные затраты времени на обслуживание рабочего места в течение смены (продолжительность смены мин.) составляют мин., нормативные затраты времени на перерывы мин. Штучно-калькуляционное время на переналадку оборудования мин.

Определить норму штучного и штучно-калькуляционного времени на изготовление деталей А, Б, С и Д если норма оперативного времени составляет: мин., мин., мин., мин.

Решение:

Так как затраты времени на переналадку оборудования незначительны, будем осуществлять переналадку оборудования в начале каждой рабочей смены. В этом случае из баланса рабочего времени (2.13) вычислим оперативное время работы в течение смены:

мин.

Нормативные затраты времени на технологическое и организационное обслуживание рабочего места:

.

Нормативные затраты времени на перерывы:

.

Норма штучного времени на изготовление деталей А и Б:

мин.

мин.

Размер партии заготовок вида А:

шт.,

вида Б шт.

вида С шт.

вида Д шт.

 

Норма штучно-калькуляционного времени на обработку заготовок:

мин.

мин.

мин

мин

 

Задача 3

Определить наиболее эффективную технологию производства детали при годовом объеме выпуска 1000 шт. и нормативном уровне рентабельности . Прочими затратами и доходами от реализации отходов пренебречь.

Показатели, характеризующие возможные технологии производства изделия представлены в таблице.

Таблица

Показатели, характеризующие технологии

Показатель	Технология 1	Технология 2	Технология 3
Норма затрат материала, кг./шт.	3,8		4,2
Стоимость материала, руб./кг.
Норма штучно-калькуляционного времени, мин.
Ставка оплаты труда, руб./час
Стоимость оборудования, руб.
Коэффициент амортизации оборудования, %
Годовой фонд рабочего времени, час

 

Какая технология является более капиталоемкой? При каком годовом объеме производства станет эффективным ее использование?

 

 

Капиталоемкость - показатель, характеризующий размер основного капитала, необходимого для выпуска продукции, товаров, услуг стоимостью в 1 денежную единицу.

Решение:

Рассчитаем затраты на изготовление одной детали в случае использования 1-й технологии.

Затраты на материалы:

руб.

Затраты на оплату труда:

руб.

Единый социальный налог:

руб.

Амортизационные отчисления:

руб.

Затраты на изготовление детали:

руб.

Аналогично рассчитаем затраты на изготовление детали в случае использования 2-й и 3-й технологии.

Рассчитаем затраты на изготовление одной детали в случае использования 2-й технологии.

Затраты на материалы:

руб.

Затраты на оплату труда:

руб.

Единый социальный налог:

руб.

Амортизационные отчисления:

руб.

Затраты на изготовление детали:

руб.

Рассчитаем затраты на изготовление одной детали в случае использования 3-й технологии.

Затраты на материалы:

руб.

Затраты на оплату труда:

руб.

Единый социальный налог:

руб.

Амортизационные отчисления:

руб.

Затраты на изготовление детали:

руб

Результаты расчетов сведем в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Результаты расчета затрат на изготовление изделия, руб.

Наименование затрат	Технология 1	Технология 2	Технология 3
Затраты на материалы
Затраты на оплату труда	10,0	15,0	18,3
Единый социальный налог	2,60	3,9	4,8
Амортизационные отчисления	7,9	6,3	4,8
Затраты на изготовление детали	552,2	585,2	615,9

 

Определим годовые приведенные затраты при использовании технологии 1, 2, 3:

руб.

руб.

руб.

Так как годовые приведенные затраты при использовании третьей технологии меньше, чем при использовании первой и второй, то для изготовления детали годовым объемом выпуска шт. целесообразно использовать третью технологию.

Список литературы

 

1. Основы отраслевых технологий и организации производства: Учебник/ Ю.М.Аносов, Л.Л.Бекренев, В.Д.Дурнев, Г.Н.Зайцев, В.А. Салтыков, В.К. Федюкин. Под ред. В.К. Федюкина.- СПб.: Политехника, 2002.- 312 с.

 

2.Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов/Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова – М.: Высш. шк., 2000.

 

3. Феоктистова В.А., Васильева Н.А. Требования к оформлению студенческих работ. Методические рекомендации.- Псков: Издательство ППИ, 2007.- 29 с.