Технология обработки металлов давлением

Процесс обработки металлов давлением(ОМД) – это придание материалу требуемой формы, размеров, физико-механических свойств без нарушения его сплошности путем пластической деформации. Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил. Нарушение сплошности строения материала деформируемой заготовки в большинстве случаев недопустимо и приводит к браку.

а - прокатка; б - прессование; в - волочение;

г - ковка; д - штамповка; е - вытяжка

Рисунок 13 - Схемы основных видов обработки металлов давлением

Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два вида:

1) для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей только обработкой резанием или с использованием предварительного пластического формоизменения. Основными разновидностями таких процессов являются прокатка (рис. 13 а), прессование (рис. 13 б) и волочение (рис. 13 в).

2) 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 (рис. 13 г) и штамповка (рис. 13 д).

Прокатное производство.Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. При прокатке металл пластически деформируется вращающимися валками. Взаимное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различными. Выделяют три основных вида прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую.

При продольной прокатке (рис. 13 а, 14 а) заготовка 2 деформируется между двумя валками 1, вращающимися в разные стороны, и перемещается перпендикулярно к осям валков. При поперечной прокатке (рис. 14 б) валки 1, вращаясь в одном направлении, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее. При поперчно-винтовой прокатке (рис. 14 в) валки 1 расположены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и поступательное движения.

Для нормального протекания процесса, особенно для его начала в период захвата, необходима определенная величина сил трения. Со стороны валков на заготовку действуют нормальные силы N и сила трения T. Для обеспечения захвата заготовки валками необходимо, чтобы тангенс угла захвата был меньше коэффициента трения. При горячей прокатке стали гладкими валками угол захвата равен 15-24°, при холодной – 5-8°.

Рисунок 14 - Схема основных видов прокатки

Таким образом, степень обжатия заготовки при прокатке в значительной степени определяется углом захвата или коэффициентом трения между валками и заготовкой. Для его увеличения часто на поверхность валков наносят риски, рифления, специальные наплавочные валики, повышая тем самым допустимую величину абсолютного обжатия.

Инструментом прокатки являются валки, которые могут быть гладкими для проката листов, полос либо с фигурными вырезами – ручьями. Совокупность соответствующих вырезов в верхнем и нижнем валках образует калибр. Пара валков обычно имеет несколько калибров.

Форму поперечного сечения продукции, получаемой при прокатке, называют профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой, называют сортаментом(рис. 15).

Хотя сортамент прокатных изделий весьма обширен, все же представляется возможным весь прокат разбить на следующие основные четыре группы: сортовой, листовой, трубы, специальные виды проката (бандажи, колеса, периодические профили и пр.). Наиболее разнообразной является группа сортового проката, который подразделяется на простые и фасонные профили. Прокат в виде круга, квадрата, полос плоского сечения относится к простым профилям. Прокат сложного поперечного сечения относится к фасонным профилям.

Рисунок 15 - Разновидности профилей проката

В зависимости от назначения фасонные профили подразделяются на профили общего или массового потребления (угловой профиль, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили и др.) и профили специального назначения (рельсы железнодорожные широкой и узкой колеи, рельсы трамвайные, профили сельскохозяйственного машиностроения, электропромышленности, нефтяной промышленности и др.). В прокатных цехах производят более 1600 размеров простых профилей, более 1100 фасонных профилей общего потребления и примерно 1350 размеров профилей специального назначения.

Волочение металла — это процесс протягивания прутка через отверстие, размеры которого меньше, чем исходные размеры прутка. При этом длина прутка увеличивается, а поперечное сечение приобретает форму отверстия с одновременным уменьшением поперечного сечения. Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Волочение производят в холодном состоянии. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки с высокой точностью поперечных размеров и трубы разнообразных сечений.

Основной инструмент при волочении сплошных профилей – волоки различной конструкции, а при волочении полых профилей – волоки и оправки к ним. Волочение осуществляют на волочильных станах, состоящих из тянущего устройства и волочильного инструмента.

Обработка металла волочением находит широкое применение в металлургической, кабельной и машиностроительной промышленности. Волочением получают проволоку с минимальным диаметром 0,002 мм, прутки диаметром до 100 мм, причем не только круглого сечения, трубы главным образом небольшого диаметра и с тонкой стенкой. Волочением обрабатывают стали разнообразного химического состава, прецизионные сплавы, а также практически все цветные металлы (золото, серебро, медь, алюминий, и др.) и их сплавы. Изделия, полученные волочением, обладают высоким качеством поверхности и высокой точностью размеров поперечного сечения. Если изделию требуется придать в основном эти характеристики, то такой вид обработки называют калибровкой.

Волочение выгодно отличается от механической обработки металла резанием (строганием), фрезерованием, обточкой и прочее, т. к. при этом отсутствуют отходы металла в виде стружки, а сам процесс заметно производительнее и менее трудоемок. Волочением можно изготовлять полые и сплошные изделия часто сложного поперечного сечения, производство которых другими способами не всегда представляется возможным (например, тонкие изделия, прутки значительной длины). При волочении ряда профилей (квадратный, треугольный, шестиугольный) используют составные волоки, которые отличаются высокой универсальностью, т. к. в одной и той же волоке, меняя профиль отверстия соответствующей перестановкой отдельных пластин, можно получать различные размеры профиля. Кроме составных волок при производстве прутков и главным образом труб применяют шариковые и роликовые волоки. При получении профилей сложной формы применяют дисковые волоки, в которых рабочие поверхности волочильного канала образуются поверхностями свободно вращающихся дисков (неприводных валков-роликов).

В качестве исходного материала для волочения применяют катаную и прессованную заготовки. При производстве алюминиевой, медной и другой проволоки в качестве исходной заготовки используют катанку, получаемую непосредственно из плавильной печи через кристаллизатор и непрерывный прокатный стан. Независимо от способа получения исходная заготовка перед волочением проходит тщательную предварительную подготовку, которая заключается в проведении того или иного вида термической обработки, удалении окалины и подготовке поверхности для закрепления и удержания на ней смазки в процессе волочения. Эти предварительные операции обеспечивают нормальное выполнение пластической деформации в волочильном отверстии, способствуют получению высокого качества поверхности изделия, уменьшают усилие и энергию на волочение и снижают износ волочильного инструмента.

При производстве проволоки и прутков волочением большое внимание уделяют подготовке поверхности продукта обработки перед волочением. Удаление окалины в калибровочных и волочильных цехах производят механическим, химическим и электрохимическим способами, а также комбинациями этих способов.

Прессование металла — это 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.

Этот способ пластической обработки находит широкое применение при деформировании как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладающих значительной природной жесткостью, а также в одинаковой мере применим для обработки металлических порошков и неметаллических материалов (пластмасс и др.).

Прессованием изготовляют прутки диаметром З...250 мм, трубы диаметром 20 - 400 мм при толщине стенки 1,5 - 12 мм, полые профили с несколькими каналами сложного сечения, с наружными и внутренними ребрами, разнообразные профили с постоянным и изменяющимся (плавно или ступенчато) сечением по длине. Профили для изготовления деталей машин, несущих конструкций и других изделий, получаемые прессованием, часто оказываются более экономичными, чем изготовляемые прокаткой, штамповкой или отливкой с последующей механической обработкой. Кроме того, прессованием получают изделия весьма сложной конфигурации, что исключается при других способах пластической обработки.

К основным преимуществам прессования металла относятся: возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжками (в том числе малопластичных металлов и сплавов); возможность получения практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами не всегда удается; универсальность применяемого оборудования, позволяющего легко переходить на производство профилей различных конфигураций; производство изделий с высокими качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке).

К недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: повышенный расход металла на единицу изделия из-за существенных потерь в виде пресс-остатка; появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента.

Процесс прессования выполняется в условиях равномерного всестороннего сжатия металла, что положительно сказывается на увеличении его пластичности. Поэтому прессованием можно обрабатывать металлы и сплавы с низкой природной пластичностью. Однако трехосное сжатие вызывает необходимость значительных усилий при обработке. Поэтому прессование требует повышенного расхода энергии на единицу объема деформируемого тела. В качестве силового агрегата для прессования наибольшее распространение получили гидравлические прессы с усилием прессования 1000-1500 т. Они не боятся перегрузки, позволяют регулировать в широких пределах скорость перемещения силового плунжера, легко автоматизируются, в том числе с помощью систем программного управления.

Производство бесшовных и сварных труб.Трубы подразделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы прокатывают диаметром 30-650 мм с толщиной стенки от 2 до 160 мм, сварные – диаметром от 5 до 2500 мм. Материалом для производства труб могут быть как углеродистые, так и легированные стали, цветные металлы. В качестве заготовки для производства бесшовных труб применяют круглые или граненые слитки, а также круглые катаные прутки большого диаметра. Основной операцией является прошивка заготовки, т.н. получение в заготовке сквозного отверстия. Перед прошивкой заготовку нагревают в методической печи до температуры горячей обработки давлением и направляют на прошивочный стан с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под углом 10-15° друг к другу. Таким образом, при прошивке отверстия используется принцип поперечно-винтовой прокатки. В результате вращательно-поступательного движения заготовки при достаточно большой степени обжатия в центре заготовки возникают весьма значительные радиальные растягивающие напряжения, вызывающие течение металла от центра к периферии. Металл в центре доводится до состояния разрыхления, и заготовка легко прошивается неподвижным прошвинем, надвигаясь на него в результате поступательного движения заготовки. Прокатка производится несколько раз; каждый раз трубы вместе с оправкой поворачиваются в валках на 90°. Способ позволяет получать трубы диаметром 57-426 мм с толщиной стенки 3-30 мм.

Сварные трубы из низкоуглеродистых и низколегированных сталей изготавливают из прокатных полос, называемых штрипсами, или листов, ширина которых равна длине диаметра (или половине диаметра трубы). Процесс производства трубы включает в себя формовку плоской заготовки в трубу, сварку (печную, электрическую, газовую), правку, калибровку.

Печной сваркой получают трубы небольшого диаметра до 10-114 мм и толщиной 2-5 мм из низкоуглеродистой стали. Процесс включает в себя нагрев полос в газовой печи до 1300-1350°C, формовку нагретого участка в сварочной воронке и обжатие со значительной пластической деформацией. Большое распространение при производстве труб большого диаметра для магистральных трубопроводов получил способ с применением электросварки под флюсом.

Производят сварные трубы с прямыми и спиральными швами. По первой технологии из листа формируют трубную заготовку, затем ее сваривают с наложением наружного и внутреннего швов. При производстве труб со спиральным швом в качестве исходной заготовки используют ленту, которую сворачивают по спирали в трубу нужного диаметра и затем сваривают по кромке наружным и внутренним швами. Прочность, а главное надежность, труб со спиральным швом выше, чем с прямым.

Объемная штамповка– вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки осуществляется пластическим деформированием заготовки в специальном инструменте – штампе. Полости в верхней и нижней частях штампа называют ручьями штампа. Течение металла в штампе ограничивается поверхностями полости штампа, и в конечный момент штамповки при смыкании они образуют единую замкнутую полость, соответствующую по конфигурации штамповке.

Исходным материалом для горячей объемной штамповки служат прокатанные или прессованные прутки круглого, квадратного или прямоугольного сечения, а также периодический прокат. Штамповку можно вести непосредственно от прутка с последующим отделением его от штампованной части, однако чаще предварительно от прутка отрезают мерные куски. Штамповке подвергают чаще всего углеродистые или низколегированные стали, реже цветные металлы и сплавы. Основными достоинствами горячей объемной штамповки являются: высокая производительность (до сотен поковок в час); меньшие припуски и допуски, чем при ковке (это приводит к упрощению механической обработки и снижению ее трудоемкости); квалификация штамповщика может быть существенно меньшей, чем кузнеца.

Процесс штамповки выполняется в зависимости от вида поковки, рода материала и характера производства на установках различного вида. Наиболее широкое распространение получила штамповка на молотах, прессах, горизонтально-ковочных машинах и другом оборудовании. Молоты представляют собой машины динамического действия на обрабатываемый металл и чаще всего характеризуются массой падающих частей.

В зависимости от типа штампа горячую объемную штамповку подразделяют на штамповку в открытых штампах, штамповку в закрытых штампах и в штампах для выдавливания.

К листовой штамповке относятся методы получения деталей и изделий, для которых в качестве исходной заготовки используют листовой материал, трубные заготовки, катаные и гнутые профили. Листовую штамповку осуществляют как в холодном, так и подогретом состоянии. Горячей листовой штамповкой получают крупногабаритные детали паровых и гидравлических турбин большой мощности, детали прессов, прокатных станов и другие.