Пластичность зависит от схемы: она увеличивается при переходе от схем с растягивающими напряжениями к схемам со сжимающими напряжениями. Например, при выдавливании с одноименными сжимающими напряжениями пластичность металлов выше, чем при волочении с вытягивающим напряжением. Поэтому при выборе одного из способов обработки металла (выдавливания или волочения) не имеющего достаточной пластичности, следует отдать предпочтение выдавливанию. Практика показывает, что выдавливанием действительно можно обрабатывать хрупкие металлы и сплавы.
Знание механической схемы деформации позволяет также заранее предполагать изменение структуры, а значит и механических свойств деформированной заготовки. Так, например, образование волокнистой структуры происходит при таком методе обработки, для которого характерны одна отрицательная деформация и две положительных, равных по значению. Это подтверждается волочением и экспериментами по осадке заготовок.
Если рассматривать заготовку с точки зрения ее внутреннего (кристаллического) строения, то при возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая из них перемещается в направлении наименьшего сопротивления. Отсюда следует вывод, что при воздействии вертикальной силы на горизонтально расположенную заготовку, перемещение ее точек будет происходить по кратчайшей нормали к периметру сечения. Т.е. можно заранее определить, какую форму примет прямоугольная заготовка, если ее осаживать в вертикальном направлении: она будет стремиться принять форму, имеющую при заданной площади сечения наименьший периметр, а в пределе стремиться к кругу.
При любом изменении формы заготовки с большим изменением ее размеров, в ней самой возникают дополнительные внутренние напряжения, которые препятствуют деформации, снижают на некоторых участках пластичность и могут вызвать образование трещин, коробление и снижение коррозионной стойкости.
На степень таких неоднородностей деформации влияет: - контактное трение заготовки и инструмента, - форма инструмента, - слишком высокая первоначальная неоднородность самой заготовки. Чем меньше неоднородность деформации, тем, соответственно, более однородна структура деформированного тела и тем лучше его свойства.
4.3.2. Прокатка – это метод обработки давлением, при котором обрабатываемая заготовка обжимается между вращающимися валками, в результате чего поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина пропорционально увеличивается. Широкое распространение прокатки объясняется ее высокой производительностью и низкой стоимостью обработки, вследствие непрерывности процесса. Около 75% всей выплавляемой стали обрабатывается прокаткой. Виды прокатки: 1). Продольная прокатка, при которой валки вращаются в противоположные стороны и расположены параллельно друг другу. Заготовка втягивается между ними силами трения и обжимается до меньшего по высоте сечения, с увеличением длины и ширины. Этим способом получают все плиты, ленты, полосы и фольгу, а также профильный или сортовой прокат из стали и цветных металлов (лишь небольшую часть проката из стали получают методом прессования). 2). Поперечная прокатка, при которой валки вращаются в одну сторону, придавая вращение самой заготовке. При этом заготовка обрабатывается в направлении, перпендикулярном ее оси. Как разновидность, поперечно-винтовая или косая прокатка, при которой валки не параллельны, а имеют некоторый угол между своими осями, обеспечивает тем самым и вращательное, и поступательное движение заготовок. Поперечную прокатку можно уподобить поперечной ковке цилиндра, который после каждого удара поворачивают на небольшой угол. Она применяется для изготовления тел вращения – прутка и всех бесшовных труб из стали (трубы из цветных металлов изготавливают прессованием полой заготовки с дальнейшей обработкой на трубопрокатных станах, с целью получения более высокой точности сечения).
Температурные условия прокатки зависят от вида изделия. Горячей прокаткой производят основную часть проката: все заготовки листового проката, получаемые из слитков, сортовой прокат и толстостенные трубы из стали. Начальные температуры процессов при этом следующие: - жаропрочные сплавы ………………………..до 1500°С - сталь …………………………………………………..1000-1300°С - титановые сплавы …………………...…….....870-980°С - медные сплавы ……….…………………………800-900°С - латунь …………………………………….………..…600-800°С - алюминиевые и магниевые сплавы….400-500°С - цинк ………………………………….…………………160°С.
Холодной прокаткой (без нагрева) получают листы и ленты толщиной менее 4мм, а также тонкостенные трубы с гладкой высококачественной поверхностью и с более высокими механическими свойствами.
Скорость деформации характеризуется скоростью прокатки, т.е. скоростью вращения валков или приблизительно скоростью прокатываемого изделия на выходе (эти скорости неодинаковы, т.к. при прохождении заготовки деформационной зоны металл вытягивается, и меняется его относительное удлинение). Наибольшая скорость прокатки стали – 30 м/с применима для ленты из малоуглеродистой конструкционной (пластичной) стали, для алюминиевых сплавов – 60 м/с.
Для расчета валков на прочность необходимо знать давление, производимое на них прокатываемым металлом. Кроме того, его необходимо знать для определения размеров прокатного стана и мощности его привода. С увеличением размеров (диаметров и длины) валков увеличивается зона деформации, а значит и силы трения, которые при прокатке необходимо преодолеть. Поэтому применяют многовалковые станы, в которых валки имеют относительно малые и уменьшающиеся по ходу процесса, диаметры (калибры). При холодной или низкотемпературной прокатке необходимо принимать во внимание наклеп (увеличение прочностных характеристик), увеличение предела текучести и, как следствие, среднего давления на валки по мере прохождения процесса относительно значений перед входом в зону деформации. Удельное (к горизонтальной проекции контактной площади валков) давление металла в прокатном стане может достигать: - при горячей прокатке (например, углеродистых сталей)..100-300 МПа/м2 (до 3000 атм.); - при холодной прокатке ………………………………………………….…800-1500 МПа/м2 (до 15000 атм.). На сверхшироких (до 5м с контактной площадью 0,07м2) прокатных станах общее максимально допустимое давление на валок может достигать 1000 атм. Количество валков в многовалковых станах может доходить до 24 с целью получения ленты малой толщины с точными допусками.
Прокатные станы имеют полную механизацию всех выполняемых операций: передачу металла к нагревательным устройствам и к валкам, сматывание в рулоны, обрезку, маркировку и упаковку. Управление ими осуществляет ЭВМ, контролирующая скоростные и температурные режимы прокатки и точность размеров продукции. Приводом прокатного стана являются двигатели большой мощности, порядка 5МВт, с частотой вращения от 0 до 120 об./мин (двигателей может быть несколько). По назначению прокатные станы делят на: 1). Обжимные станы – крупные, имеющие диаметр валков до 1,5м – блюминги, для изготовления квадратных блюмсов сечением более 200х200 мм, путем прокатки слитков массой до 25 тонн; и слябинги для получения плоских заготовок слябов, шириной до 2м. 2). Сортовые станы, которые в свою очередь делятся на: - крупносортные с диаметром валков до 1м для прокатки профилей и рельсов из стали, - среднесортные с диаметром валков до 0,5м для получения прутков диаметром 40-80мм и профилей до 120мм, - мелкосортные с диаметром валков до 0,35м для прокатки прутков диаметром до 40мм и профилей до 50мм. 3). Листовые станы с диаметром валков до 1м и длиной до 5м для получения при горячей прокатке стальных листов шириной до 5м и толщиной до 60мм и алюминиевых – до 150мм, а при холодной прокатке – листы толщиной от 0,02 до 4мм. 4). Специализированные станы с диаметром валков до 0,4м для прокатки лент и полос – штрипсов шириной до 1м, проволоки с диаметром 6-10мм, а также шаров, колец, колес и т.д.
Получение труб из стали обычно состоит из двух операций: прошивки сплошной заготовки, с помощью оправки с диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, и последующей прокатки полученной толстостенной гильзы с целью уменьшения ее внешнего диаметра, придания ей точных размеров и высокого качества поверхности.
4.3.3. Прессование – это процесс придания деформируемому телу заданной формы путем выдавливания его из замкнутой полости инструмента, называемого контейнером, через канал, образуемый матрицей. В целях придания прессуемым заготовкам наибольшей пластичности их нагревают в специальных печах до 1500°С и выше (в зависимости от состава сплава – см.п.3.3.2). Обычно применяются давления в пределах 400-800МПа (4000-8000атм.), хотя в отдельных случаях могут быть до 1000МПа, а при холодном прессовании – до 1500 МПа. Скорости течения металла через каналы матрицы или скорость прессования заготовок может достигать десятков метров с секунду, хотя некоторые металлы невозможно прессовать со скоростями выше 2м/мин.
Наиболее распространенное оборудование для прессования – гидравлические горизонтальные прессы различных мощностей. Небольшую часть пресс-изделий получают на механических прессах.
Основные преимущества прессования в сравнении с другими методами обработки металлов: 1). Возможность вести процесс с большими деформациями. 2). Возможность обрабатывать труднодеформируемые металлы. 3). Неограниченное разнообразие форм заготовок практически любой сложности. 4). Высокая точность геометрических размеров изделий. 5). Несложная автоматизация процесса. 6). Возможность быстрого перевода процесса с одной формы изделия на другие путем замены матриц и, как следствие, низкая себестоимость продукции.
Недостатки прессования в сравнении с другими методами обработки металлов: 1). Ограниченность размеров заготовки. 2). Неоднородность структуры и свойств изделия ввиду неравномерного выдавливания (средние слои заготовки заполняются быстрее периферийных, вследствие чего при застывании могут образовываться поверхностные разрывы и трещины – довольно распространенные дефекты пресс-изделий). 3). Большой пресс-остаток, т.е. объем технологических отходов. 4). Ограниченная скорость прессования для некоторых сплавов. 5). Низкая стойкость инструмента и, как следствие, его высокая удельная стоимость.
4.3.4. Волочение – это процесс обработки металлов давлением, заключающийся в том, что заготовка постоянного поперечного сечения протягивается через инструмент, называемый волокой, имеющий форму сечения канала близкую к заготовке, но меньшую по размеру. В результате поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее пропорционально увеличивается. Полученное изделие имеет поперечное сечение, одинаковое по всей длине. Обработка жаропрочных и тугоплавких сплавов начинается с предварительного нагрева в специальных печах до 700-850°С. Скорости волочения, также как и при прессовании, в зависимости от материала заготовок могут быть в пределах от 2м/мин до 3000 м/мин. Во избежание обрывов заготовок, напряжение растяжения не должно превышать 70% предела их прочности. Для достижения более точных заданных параметров изделия при волочении, как и при прокатке, применяют несколько волок, поперечное сечение которых последовательно уменьшается.
В обрабатываемом волочением металле существенно изменяется структура, т.е. становится ярко выраженной текстурованной. При этом наблюдается явление наклепа – прочностные свойства возрастают, а пластические понижаются. Поэтому при большом числе проходов волочения изделий из труднодеформируемых сплавов для снятия наклепа применяют промежуточные отжиги, а по окончании процесса – другие виды термической обработки.
Оборудование для волочения – волочильные станы, которые делятся на цепные и барабанные. Цепной стан представляет собой станину, по которой возвратно-поступательно передвигается тянущая тележка. На цепных волочильных станах со сравнительно небольшими скоростями обычно обрабатывают изделия с относительно большими поперечными размерами или имеющие конфигурацию, отличную от круглой. На барабанном стане волочение осуществляется из заготовки, смотанной в бухту и помещенной на ведомом барабане. Изделие также сматывается в бухту и крепится на ведущем барабане. На барабанных станах производят волочение проволоки, а также труб относительно малых диаметров (до 80 мм).
В общем случае, волочением получают проволоку диаметром от 0,002 до 8 мм, круглые и фасонные прутки диаметром до 100 мм, трубы диаметром до 400 мм, различные точные тонкостенные профили.
4.3.5. Ковка – способ обработки металла давлением, при котором деформируемая заготовка приобретает заданную форму под воздействием бойков, молотов. Ковке в основном подвергаются нагретые заготовки. Данный способ применяется при изготовлении изделий несложной формы, часто довольно крупных размеров (длиной до 20 м и массой до 100 тонн), а также в условиях единичного или мелкосерийного производства. При ковке получаются детали, имеющие невысокий класс точности и шероховатости поверхности, поэтому при определении размеров поковки руководствуются размерами детали, которая должна быть из нее изготовлена в результате дальнейшей обработки, т.е. предусматривают припуск. В связи с этим ковке присущ относительно низкий КИМ (коэффициент использования материала). Отходы могут составлять до 65% материала заготовки.
При выборе режимов нагрева следует учитывать объем заготовок. Во избежание возникновения нежелательных внутренних напряжений, чем крупнее поковки и чем сложнее химический состав сплава, тем медленнее должны происходить нагрев и остывание. Например, время нагрева стального слитка массой 10 тонн и диаметром 850 мм достигает 8 часов (с постепенным разогревом самой печи), а охлаждения – 40 часов.
Для небольших размеров заготовок применяют пневматические молоты, для больших – гидравлические; для ковки заготовок, имеющих поперечное сечение до 4м – паровоздушые молоты.
4.3.6. Штамповка – способ обработки металла давлением, при котором деформируемая заготовка подвергается формообразованию при деформации в штампах. Штамповке подвергаются как нагретые заготовки, так и холодные. Различают объемную штамповку и листовую. Объемная штамповка отличается тем, что течение металла в стороны ограничивается полостью штампа. Для объемной штамповки по сравнению с ковкой характерны значительно более высокая точность геометрических размеров изделия, качество изделия и, как следствие, высокий КИМ. Поэтому штамповкой изготавливают детали сложной конфигурации ответственного назначения, массой от 0,1г до 1500т, площадью до 4м2 и длиной до 6м (примеры штамповок: коленвалы и шатуны, ступицы, тормозные диски, звездочки различного профиля, крюки для подъемных механизмов, топоры и т.д.). Штамповочные операции отличает высокая производительность и низкая себестоимость.
Наиболее распространена горячая штамповка. Температуры горячей штамповки такие же, как и при прокатке (см. п. 3.3.2). Исходными материалами для нее также являются сортовой прокат и профили постоянного сечения. Процесс горячей штамповки состоит из следующих операций: - резка мерной заготовки, - нагрев, - штамповка с сопутствующим ей удалением облоя (лишних кромок), - термическая обработка, - отделка штамповок (нанесение покрытий и т.п.), - контроль качества.
Штамповку можно получить в открытых и закрытых штампах. В открытых штампах штамповку получают с облоем, т.е. излишками металла, образующимися в плоскости разъема штампов. При этом создаются и положительные условия для хорошего заполнения полости штампа, особенно углов, заполнение которых из-за больших сил трения является наиболее затруднительным при штамповке. Следует отметить, что образование облоя используется для снятия дополнительных напряжений металла в процессе штамповки; как правило, с этой целью в открытых штампах делаются перемычки определенных размеров между ручьями. Поэтому проектировщики штампов с учетом образования облоя рассчитывают припуск материала, а также с помощью штамповочных уклонов предусматривают свободную выемку заготовки при ее глубоком залегании. Закрытые штампы исключают образование облоя, и ввиду высоких внутренних напряжений, возникающих в заготовках, их используют только при производстве изделий простой формы.
С целью снижения себестоимости крупносерийного и массового производства сложных деталей, а именно, снижения стоимости их последующей обработки, кроме штамповки технологи разрабатывают ряд заготовительных и заключительных формообразующих операций (черновая и чистовая штамповка, правка, чеканка и калибровка в соответствующих штампах). Такая система штамповки называется комбинированной.
При массовом производстве, когда требуется большое число штампов, для их изготовления создаются инструментальные цехи, оснащенные специальным металлорежущим и копировально-фрезерным оборудованием с числовым программным управлением (ЧПУ). Штампы – один из наиболее дорогостоящих инструментов в металлообработке, изготавливаются из штамповой стали, легированной в первую очередь хромом, никелем и молибденом. Иногда стоимость одного штампа (особенно для крупногабаритных деталей) в несколько раз дороже всей зарплаты, выплачиваемой штамповщикам за все время работы штампа.
Объемная штамповка производится на молотах, гидравлических прессах и ковочных машинах. Для молотовой штамповки обычно используют открытые штампы, верхняя часть которых крепится к подвижной части молота (бабе), нижняя – к неподвижной (шаботу). Штамповка на прессах позволяет получить изделия с более точными размерами, высокими тонкими стенками (т.е. с более глубокой конструкцией: колпаки, гильзы…) и с вытянутыми формами (клапаны, длинные втулки, стержни с широкими тонкими фланцами). Из-за большой длины получаемых деталей в конструкции пресса предусмотрены выталкиватели, вследствие чего штамповочные уклоны могут быть по сравнению со штамповкой на молотах существенно уменьшены или вообще приближены к нулю. Горизонтально-ковочная машина ГКМ предназначена для производства крепежных деталей (болтов, винтов, колец, гаек, шайб, заклепок и т.д.) представляет собой кривошипный пресс, усилие которого действует в горизонтальной плоскости. В неподвижной матрице с полостью для штампа (пуансона), имеющего, например, профиль головки болта, зажимается пруток. Пуансон в результате удара деформирует свободную от зажима часть прутка до нужной формы, затем матрица отходит в сторону, и болт отрезается. Производительность обработки на ГКМ может быть до 1500 штамповок в час.
После горячей штамповки полученные изделия подвергают обсечке облоя и просечке отверстий. После обсечки удаляют заусенцы на наждачных кругах и калибруют в специальных штампах. При необходимости заготовки подвергают термической обработке, а затем очищают от окалины в пескоструйных и дробемётных установках.
Холодную объемную штамповку отличают высокая точность достижения заданных размеров – до 0,025 мм (25 мкм) и высокое качество поверхности.
Листовая штамповка (чаще применяется холодная) обрабатывает листовой материал из различных сплавов толщиной до 10 мм. Для нее характерны высокая точность получаемых изделий, сложность и разнообразие их конфигураций, высокая производительность и низкая стоимость обработки (стоимость металла зачастую составляет около 70% от всей себестоимости холодно-штампованной листовой детали). По технологическому процессу листовая штамповка включает в себя: - разделительные операции: отрезка и надрезка листового материала, пробивка и зачистка отверстий; - формообразующие операции: гибка, вытяжка (получение полого цилиндра с дном), формовка, вырубка, отбортовка и штамповка истечением; - сборочные операции для соединения отдельных частей: фальцовка, отбортовка и запрессовка. Наиболее рационально основные операции листовой штамповки (такие, как вырубку) осуществлять автоматически одновременно сразу несколькими пуансонами, что помимо временного фактора, позволяет улучшить раскрой листовой заготовки, повысив КИМ. В последние годы по мере усложнения форм изделий стали успешно применять штамповку эластичными средами, прежде всего резиной, а также жидкостью высокого давления. Штамп в этом случае состоит из одной матрицы с рельефом изделия, а роль пуансона выполняет находящаяся под давлением резина или жидкость.