Основы теории пластической деформации.
Сущность обработки металлов давлением заключается в их способности под действием сил изменять форму и размеры, не разрушаясь, и сохранять эту форму. Пластические деформации металлов происходят за счет сдвигов и поворотов одних частиц зерен относительно других. Таким образом, кристаллы измельчаются, и структура металла становится мелкозернистой. Пластическое деформирование осуществляется ударами или статическим давлением, которое вызывает в металле напряжение, большее напряжение его предела упругости.
Пластичность металлов зависит от следующих факторов: химического состава, степени и скорости деформации и температуры нагрева. Чем меньше примесей в металле, тем выше его пластичность. Например, чистые медь и алюминий имеют пластичность выше, чем сплавы на медной или алюминиевой основе. Чугуны, в которых углерода содержится больше, чем в стали, обладают низкой пластичностью и давлением практически не обрабатываются
Обработка металлов давлением бывает холодной и горячей. В процессе холодного деформирования происходит искажение кристаллических решеток, сдвиг и измельчение зерен, при этом твердость и прочность металла повышаются, а пластичность снижается. Это явление называют наклепом. При степени деформации 80…90% пластичность металла резко уменьшается и дальнейшая обработка давлением становится затруднительной и может привести к разрушению металла. При нагреве наклепанного металла его первоначальные свойства его восстанавливаются.
Нагрев металла и нагревательные устройства.
При нагреве металла его прочность уменьшается, а пластичность увеличивается, поэтому сопротивление деформации значительно ниже, чем при холодной обработки. В процессе нагрева и выдержки при заданной температуре заготовки должны прогреваться по всему сечению за минимальное время.
Температуры начало, и конец горячего деформирования для различных металлов определяют по таблицам и диаграммам. Малоуглеродистые стали рекомендуется обрабатывать давлением в интервале температур 850…1200 С, среднеуглеродистые –820…1150, а высокоуглеродистые – 800…1050 С, Нагрев заготовок выше рекомендуемых температур вызывает перегрев или пережог. Обработка заготовок при более низких температурах недоступна вследствие понижения пластичности металла. Перегрев металла характеризуется интенсивным ростом зерен, а при пережоге наблюдается окисления границ зерен. Перегрев можно исправить последующим отжигом или нормализацией, пережог – неисправимый брак, так как он связан с полной потерей пластичности металла.
Нагрев заготовок для горячей обработки давлением проводят в кузничных горнах, пламенных печах, электрических печах и устройствах. В ремонтных мастерских колхозов и совхозов применяют в основном кузнечные горны.
Способы обработки металлов давлением.
Для получения изделий металлы обрабатывают давлением различными способами: прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой.
При прокатке металл обжимают между двумя вращающимися валками прокатного стана (рис. 89,а), в результате чего толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличиваются. Прокаткой изготовляют профили круглой и квадратной формы, рельсы, балки, швеллеры, листы, а также другие виды проката.
Волочением называют процесс протягивания прутка или проволоки через отверстие в волоке (матрице), размеры поперечного сечения которого меньше размеров исходной заготовки (рис. 89,6). Волочение проводят на волочильных станах и используют для получения тонкой и тончайшей проволоки, калибрования прутков и труб круглого и фасонного сечения из стали и цветных металлов.
В процессе прессования металл выдавливают через круглое или фасонное очко в матрице (рис. 89,в), форма и размеры которого определяют форму сечение прессуемого изделия — прутков, труб фасонных профилей из цветных металлов и их сплавов, а также сталей. Прессование производят на гидравлических или механических прессах.
Ковкаметалла заключается в обжатии заготовки между верхним и нижним бойками (рис. 89,г) с применением разнообразного кузнечного инструмента. Свободной ковкой получают поковки различных размеров простой и сложной формы (валы, шатуны, шестерни и т. д.) на молотах или прессах. В качестве исходной заготовки применяют слитки или прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Из слитков получают тяжелые поковки (валы, оси и др.), из проката — более мелкие детали (шатуны, небольшие коленчатые валы и др.).
Операции свободной ковки подразделяются на предварительные (биллетировка, отрубка, разрубка), основные (осадка, протяжка, вытяжка, прошивка, гибка, радиальное обжатие), вспомогательные (надрубка, сбивка углов, кручение, кузнечная сварка) и отделочные (обрезка, проглаживание, правка, клеймение)
Биллетировка— операция обжатия ребер заготовки для придания ей формы тела вращения.
Осадка—технологическая операция, при которой происходит увеличение поперечного сечения заготовки за счет уменьшения ее высоты. Разновидностью осадки является высадка, которая используется при изготовлении головок болтов, буртов, фланцев.
Протяжка — операция увеличения длины исходной заготовки за счет уменьшения ее поперечного сечения. Вытяжка производится последовательными ударами молота или нажатиями на отдельные смежные участки заготовки с кантовкой вокруг оси и подачей после каждого обжима.
Гибка — операция придания заготовке криволинейной формы по заданному контуру.
Кручение — технологическая операция поворота одной части поковки относительно другой вокруг общей оси.
Рубка — операция отделения одной части поковки или заготовки от другой.
Прошивка — операция получения отверстий (сквозная прошивка) или углублений (несквозная прошивка) в теле заготовки.
Штамповкой называют процесс деформации металла в штампах. Различают объемную и листовую штамповку.
При объемной штамповке (рис. 89,д) предварительно нагретую заготовку деформируют в замкнутой полости штампа, форма и размеры которой определяют форму и размеры получаемой поковки. Горячая объемная штамповка производится на молотах, прессах или горизонтально-ковочных машинах.
Листовая штамповка (рис. 89,е) состоит в деформации в холодном состоянии листовой исходной заготовки в штампе, имеющем матрицы с прижимным кольцом и пуансон. Этот вид штамповки проводят на специальных штамповочных прессах.
Кузнечно-прессовое оборудование.
Кузнечно-прессовые машины различают по конструкции, размерам и принципу действия. Они состоят из двух основных частей: привода— устройства, обеспечивающего их действие, и рабочего механизма, осуществляющего операции деформирования заготовки. Привод может быть пневматическим, паровоздушным, гидравлическим и электрическим. По способу передачи энергии кузнечно-прессовые машины подразделяются на машины динамического (ударного), статического и комбинированного действия.
Молоты—машины динамического действия. Молоты применяют для всех операций ковки, горячей и листовой штамповки. Изготовление мелких и средних поковок производится на ковочных молотах. Размер молотов характеризуется весом падающих частей. В кузнечном производстве применяют пневматические молоты, паровоздушные, гидравлические, механические.
Исходными материалами для обработки металлов давлением являются слитки или заготовки, различные по размерам сечения и массе. В прокатном производстве применяют обычно стальные слитки массой З—8 т. Большие слитки (до ЗОО т) используют на машиностроительных заводах для получения специальных поковок. Слитки цветных металлов обычно имеют массу 50—1000кг.
Для разных способов обработки металлов давлением характерны различные схемы напряженного и деформированного состояния. Так, объемная схема с тремя главными напряжениями сжатия имеет место при прокатке, свободной ковке, объемной штамповке и прессовании; объемная схема с двумя главными напряжениями сжатия и одним главным напряжением растяжения при волочении и листовой штамповке. Схема с одной главной деформацией сжатия и двумя деформациями растяжения имеет место при прокатке узкой полосы на гладкой бочке, прокатке в калибрах, свободной ковке, объемной штамповке; схема с одной главной деформацией сжатия и одной растяжения — при прокатке широкой полосы на гладких валках, прокатке с натяжением, листовой штамповке; наконец, схема с двумя главными деформациями сжатия и одной растяжения — при волочении и прессовании.
Обработка металлов давлением существенно изменяет структуру и свойства металла, так как при этом изменяются размеры и форма зерен деформация зерен металла зависит от схемы деформации заготовки и некоторых других факторов.