Обработка металлов давлением (ОМД) – технологический метод производства заготовок и деталей путём пластического деформирования, которое осуществляется силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из металла, обладающего необходимой пластичностью. Для увеличения пластичности металл нагревают до температуры, при которой наиболее полно проявляются его пластические свойства или подвергают обработке в холодном состоянии. При пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил.
Один из основных законов пластической деформации, лежащий в основе технологических расчётов – закон постоянства объёма, который гласит: объём тела до пластической деформации равен его объёму после деформации (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Закон постоянства объема: исходная заготовка (а), заготовка после обработки давлением (б)
Деформация характеризуется изменением формы зёрен металла, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При деформации формоизменение зерен сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла (рис. 8.2). Это явление называют упрочнением (наклёпом).
Рис. 8.2. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации: а – холодной; б – горячей
В машиностроении широко используют основные способы метода ОМД (рис. 8.3).
Рисунок 8.2 – Основные способы получения заготовок методом обработки металлов давлением
Рассмотрим сущность этих способов более подробно.
Под прокатыванием принято понимать процесс обжатия заготовки между вращающимися валками (рис 8.4). В зависимости от прокатываемого профиля валки могут быть гладкими (рис.8.4, а) и калиброванными (ручьевыми) для получения сортового проката (рис. 8.4, б). Ручей это профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями называются буртами.
Рисунок 8.4 – Прокатные валки: гладкий (а), калиброванный (б); 1 – рабочая часть, 2 – шейка, 3 – трефа, 4 – ручьи, 5 – бурты
Используют три основных процесса прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рисунок 8.5). При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рисунок 8.5, а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счет сил трения.
Припоперечной прокатке (рисунок 8.5, б) оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Припоперечно – винтовой прокатке (рисунок 8.5, в) валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под углом друг другу.
Рисунок 8.5 – Схемы процессов прокатки: продольная (а), поперечная (б), поперечно-винтовая (в); 1 – прокатные валки, 2 – заготовка
Прокатываемый металл помимо вращения получает еще поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии.
Процессы прокатки осуществляют на специальных прокатных станах. Прокаткой получают: плиты толщиной 50 – 350 мм, листы толщиной 3 – 50 мм и полосы (сматываемые в рулоны) толщиной 1,2 – 20 мм, рельсы, проволоку, трубы.
Под прессованием понимают вид обработки металлов давлением, при котором металл, заключенный в замкнутую форму, выдавливается через отверстие, меньшей площади, чем площадь сечения исходного материала. Инструментом при прессовании служат различные матрицы. Матрица – это основной инструмент для прессования, непосредственно формирующий профиль при выдавливании металла через свой внутренний контур, повторяющий форму сечения заготовки.
Применяются два процесса прессования: прямой и обратный. При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении (рисунок 8.6, а). При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение металла из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансона, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей (рисунок 8.6, б).
Рисунок 8.6 – Схема процессов прессования прутка прямым (а) и обратным (б) прессованием; 1 – получаемая заготовка, 2 – матрица, 3 – заготовка, 4 – пуансон
Прессование, как правило, осуществляют на гидравлических прессах. Прессованием получают прутки диаметром 3 – 250 мм, трубы диаметром 20 – 400 мм с толщиной стенки 1,5 – 15 мм, профили сложного сечения сплошные и полые с площадью поперечного сечения до 500 см2.
Сущность процесса волочения заключается в протягивании заготовок через сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой (рисунок 8.7). Волока – это инструмент, в котором осуществляется обжатие металла при его обработке волочением. Волоки для повышения надежности оснащаются специальными вставками из твердых материалов – фильерами. Конфигурация отверстия фильеры определяет форму получаемого профиля.
Рисунок 8.7 – Волока в разрезе и ее геометрия: 1 – стальная волока; 2 – фильера из твердого сплава
Волочение металла происходит без нагрева заготовки. Применяют как обычные процессы волочения (рисунки 8.8, а, б, в), так и процессы, направленные на снижение сил трения при волочении. Например, волочение с противонатяжением, при этом снижается удельное давление металла в зоне деформации и, как следствие, уменьшается трение и износ волоки. Вибрационное волочение с наложением вибраций на проволоку или волоку, а в некоторых случаях на проволоку и волоку одновременно. Волочение через не приводные роликовые волоки (рисунок 8.8, г). Волочение в режиме жидкостного трения создает в очаге деформации смазочного слоя, который обеспечивает полное разделение трущихся поверхностей.
Оборудованием для волочения служат волочильные станы. Эти агрегаты в зависимости от принципа работы тянущего устройства, могут быть двух видов: с прямолинейным движением металла и с намоткой обрабатываемого металла на барабан.
Рисунок 8.8 – Схема процессов волочения: проволоки и прутков круглого сечения (а); труб без утонения стенки (б); труб с утонением стенки (в); волочение через неприводные волоки (г): 1 – волока, 2 – протягиваемая исходная заготовка, 3 – оправка, 4 – узлы опор роликовой волоки
Станы с прямолинейным движением обрабатываемой заготовки (цепные и реечные) применяют для волочения и калибровки прутков, труб и других изделий, которые не сматываются в бухты. Станы с намоткой металла на барабан применяют для производства проволоки, специальных профилей и труб небольшого диаметра. Продукцией процессов волочения являются: метизные изделия (пружины, болты, гвозди, винты, шурупы), проволока и арматура, сварочные электроды, металлические ленты, трубы небольшого диаметра.
Контрольные вопросы к лекции 8:
1. На чем основан метод обработки металлов давлением. Дайте определение понятию деформация.
2. Перечислите основные способы метода обработки металлов давлением.
3. Охарактеризуйте способ получения заготовок прокатыванием. Дайте классификацию процессов прокатывания.
4. Какое оборудование и инструменты используют в процессе прокатывания. Какие заготовки получают прокатыванием.
5. Охарактеризуйте способ получения заготовок прессованием. Дайте классификацию процессов прессования.
6. Какое оборудование и инструменты используют в процессе прессования. Какие заготовки получают прессованием.
7. Охарактеризуйте способ получения заготовок волочением. Дайте классификацию процессов волочения.
8. Какое оборудование и инструменты используют в процессе волочения. Какие заготовки получают волочением.