Обработка металлов давлением

 

Под обработкой давлением понимают методы получения изделий путем пластической деформации металлов и сплавов.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла. Однако, создавая наиболее благопри­ятные условия деформирования, в на­стоящее время достигают значитель­ного пластического формоизменения даже у материалов, имеющих в обыч­ных условиях невысокую пластичность.

Существенные преимущества обра­ботки металлов давлением по сравне­нию с обработкой резанием – возмож­ность значительного уменьшения от­хода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в ре­зультате однократного приложения деформирующей силы можно значите­льно изменить форму и размеры дефор­мируемой заготовки. Кроме того, пла­стическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т. д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов да­влением способству­ют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке.

Классификация процессов обработки металлов давлением

По назначению процессы обра­ботки металлов давлением группируют следующим образом:

для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов); основными раз­новидностями таких процессов являют­ся прокатка, прессование и волочение;

для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих прибли­женно формы и размеры готовых де­талей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности за­данного качества; основными разновид­ностями таких процессов являются ков­ка и штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки можно считать сжатие между плоскостями инструмен­та, ротационное обжатие вращающими­ся валками, затекание металла в по­лость инструмента, выдавливание ме­талла из полости инструмента и во­лочение, при котором в качестве заготовки может быть использован только пруток.

Процессы деформирования листовой заготовки – операции листовой штам­повки, объединяются в две группы:

разделительные операции (отрезка, вы­рубка, пробивка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка и др.).

Сжатие между плоскостями инст­румента – осадка, характеризуется сво­бодным пластическим течением метал­ла между поверхностями инструмента (рис. 22, а). Отношение высоты заготовки к ее меньшему поперечному размеру не может быть больше 2,5-3, из-за опасности потери устойчивости и изгиба.

Схема свободного течения металла при сжатии между плоскостями инст­румента лежит в основе операций ков­ки: осадки, протяжки, раскатки и др., а также имеет место во многих спо­собах объемной штамповки.

Ротационное обжатие вращающимися валками (рис. 22,6) обусловливается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым последняя перемещается в за­зоре между валками, одновременно де­формируясь. Эта схема лежит в основе прокатки.

 

Рис. 22 Основные схемы деформирования в обработ­ке металлов давлением

 

Затекание металла в полость инст­румента (рис. 22, в) – схема деформи­рования, являющаяся сутью объемной штамповки. Металл заготовки запол­няет полость, называемую ручьем, специального инструмен­та – штампа, приобретая его форму и размеры. Течение металла ограничивается поверхностями полостей.

Выдавливание металла (рис. 22, г) че­рез отверстие заданного сечения в мат­рице 1 происходит вследствие его сжа­тия в замкнутой полости, образуемой контейнером 3, матрицей 7 и пуансо­ном 4. при Схема выдавливания харак­терна для таких видов обработки ме­таллов давлением, как прессование, горячая и холодная штамповка.

Волочение (рис. 22, д) заключается в протягивании заготовки 2 через сужа­ющееся отверстие в инструменте, на­зываемом волокой 7; площадь попереч­ного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия волоки, а следовательно, длина (из условия постоянства объема при пластической деформации) увели­чивается.

В зависимости от температуры пластического деформирования различают холодную и горячую обработку давлением.

Основная цель нагрева – повышение пластических свойств для улучшения заполнения рабочего пространства штампа, а также уменьшения износа инструмента.

Максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала горячей об­работки давлением, следует назначать такой, чтобы не было пережога (появления хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ) и пе­регрева. В процессе обработки нагре­тый металл обычно остывает, сопри­касаясь с более холодным инструмен­том и окружающей средой.

Заканчивать горячую обработку дав­лением следует также при вполне опре­деленной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения падает и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформиро­вание нецелесообразно, особенно для сплавов, не имеющих фазовых превра­щений. В этом случае после дефор­мирования зерна успевают вырасти и получается крупнозернистая струк­тура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением.

С увеличением времени нагре­ва увеличивается окисление поверхности металла, так как при высоких температурах металл активнее химичес­ки взаимодействует с кислородом воз­духа. В результате на поверхности, например, стальной заготовки образу­ется окалина - слой, состоящий из оксидов железа. Кро­ме потерь металла с окалиной, послед­няя, вдавливаясь в поверхность заго­товки при деформировании, вызывает необходимость увеличения припусков на механическую обработку. Окалина увеличивает износ деформирующего ин­струмента, так как ее твердость зна­чительно больше твердости горячего металла.

При высоких температурах на повер­хности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и уг­лерод; происходит так называемое обез­углероживание. Толщина обезуглероженного слоя иногда достигает 1,5-2 мм.

Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восста­новительной атмосфере. Для увеличения производительности применяют индукционный нагрев. При этом способе в специально изготовленный индуктор (из медной трубки) подается ток высокой частоты. Между витками индуктора создается магнитное поле, и на поверхность заготовки наводятся токи Фуко, которые вызывают разогрев поверхности. Количество тепла, выделяемое заготовке: Q=0,24J²Rt. Чем больше сила тока, тем выше скорость разогрева.