Обработка металлов давлением

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение………………………………………………………………………...2

Упругая и пластическая деформация металлов……………………………....3

Сущность холодной и горячей обработки металлов давлением………….…4

Прокатка металлов: cортамент………………………………………………...5

Специальные машины для прокатки в машиностроении………………… ...6

Технологические возможности………………………………………………..6

Волочение металла……………………………………………………………..7

Инструмент и  машины для волочения………………………………………..7

Прессование……………………………………………………………………..9

Устройство гидравлических прессовых установок…………………………...9

Ковка……………………………………………………………………………..16

Штамповка……………………………………………………………………….18

Листовая штамповка  вырубка………………………………………………….19

Листовая штамповка  вытяжка………………………………………………….19

Оборудование  для штамповки………………………………………………….20

Используемая литература……………………………………………………….24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

        Благодаря пластичности металлов, проявляющейся при деформации в холодном или горячем состоянии, можно изменять форму исходной заготовки, полученной, естественно, каким либо другим методом. Относительно лёгкая обработка металлов давлением во многом определяет их широкое применение.  

      Обработка металлов давлением технологическое свойство настолько существенно, что когда-то даже было основой определения металла (Металл - это светлое тело, которое можно ковать).  

     При пластической деформации металла происходит смещение атомных слоев друг относительно друга внутри кристаллов и смещение кристаллов относительно друг друга. Важной особенностью этого вида деформации является отсутствие разрушения. Конечно, разные металлы и их сплавы обладают различной способностью деформироваться без разрушения. Пластичность металлов оценивается величиной относительного удлинения стандартного образца при разрыве. Эта величина у пластичных металлов колеблется от 10 до 50 %. В настоящее время разработаны сверхпластичные сплавы, относительное удлинение которых при разрыве может достигать сотен процентов.  

    Обработка металлов давлением может осуществляться над сплавами, обладающих высокой пластичностью такими как: низкоуглеродистые стали, сплавы алюминия, меди (латуни), многие легированные стали . 

    Обработка металлов давлением в основном производят при их нагреве, т.к. при нагреве пластичность металлов существенно увеличивается. При нагреве кроме того существенно снижается прочность металлов, поэтому усилия для их деформирования значительно ниже, что позволяет применять более простое оборудование и инструмент.  

Обработка металлов давлением может происходить  несколькими методами, например: прокатка, прессование, волочение, ковка , штамповка.

Упругая и пластическая деформация металлов. 

    Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую) .

   Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т.е. тело восстанавливает свою первоначальную форму. Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузке, (тело не восстанавливает первоначальную форму и размеры).

    Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояние, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

   Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, т.к. все процессы обработки металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок.

    Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начинаться разрушение металла.

     При пластической деформации изменяется не только форма, но и свойства деформируемого металла. В реальном поликристаллическом металле происходит изменение форм зерен (кристаллитов) дробление отдельных зерен, а также ориентация их определенных кристаллографических осей в направлении течения металла. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Текстура металлов обусловливает анизотропию их механических, магнитных и электрических свойств. В общем случае анизотропия свойств металла отрицательно сказывается при дальнейшей его обработки и эксплуатации изделий. В некоторых случаях специально стремятся создать максимально текстурованный в определенных направлениях для повышения механической прочности или магнитно-электрических свойств.  

Сущность  холодной и горячей  обработки металлов давлением 

    В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

   Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности. Металл становится более твердым, но мене пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличение искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопление дислокаций у границы зерен).

    Изменение, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла не обратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

   В этом случае происходит перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивается подвижность атомов и в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новый зерна, заменяющие собой вытянутые “деформированные зерна”. 

       Явление зарождения и роста, новых  зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Горячая обработка металлов давлением производится при температурах, значительно превышающих температуру их рекристаллизации. При этом микроструктура металла после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения. Зерна в металле получаются тем мельче, чем больше степень деформации. 

              Перед горячей обработкой давлением металлы и стали нагревают до определенной температуры  для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформации. Однако в процессе обработки температура металла понижается. Минимальная температура, при которой можно производить обработку, называется температурой окончания обработки давлением. Область температуры между началом и окончанием, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наименьшей склонностью к росту зерна и минимальным сопротивлением деформированию, называют температурным интервалов горячей обработки давлением. 

     При этом температура нагрева металла выбирается такой, чтобы не возник, пережег либо перегрев. Пережег, характеризуется окислением металла на границе зерен, в результате чего он становится хрупким и при ударе разрушается. Перегрев сопровождается резким ростом размеров зерен, вследствие чего ухудшаются механические свойства.

   Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением.  Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой температуры. Нагрев осуществляется в различных печах и нагревательных устройствах. Выбор способа нагрева заготовок определяется технико-экономических соображениями. 

Прокатка  металлов: cортамент 

        Прокаткой называют процесс пластической деформации металла между двумя или несколькими вращающимися рабочими валками. Способы прокатки различают по направлению обработки (продольная, поперечная и винтовая) и по форме получаемого изделия (листовая, сортовая и прокатка труб). Прокатка - наиболее распространенный процесс обработки, через который проходит примерно 90 % всего выплавляемого металла. Прокатку осуществляют, в основном, в металлургической промышленности на прокатных станах. Однако и в машиностроении используют различные способы прокатки, в т. ч. на агрегатах для получения специальных видов проката (шаров, роликов, колес и бандажей для железнодорожного транспорта, втулок, колес подшипников, зубчатых колес и т. д.). Множество наименований свидетельствует и о разнообразии типов прокатных станов, применяемых для этой цели. Упрощенно прокатку можно представить в виде схемы, изображенной на рис.1, где заготовка 1 обжимается валками 2 и меняет свою форму. В то же время прокатный стан - это целый комплекс машин, среди которых выделяют основное оборудование, осуществляющее непосредственно деформацию металла, и вспомогательное - для механизации процесса и придания продукции дополнительного качества.

   Рис.1

   Прокаткой металлов получают длинные заготовки определенного профиля - сортамент. Сортамент служит заготовками для производства различных деталей машин или имеет собственное применение: трубы, рельсы, профили для строительных конструкций. 

    Прокатка металлов может также служить не только для получения сортамента но и для производства листового материала, который после дальнейшей обработки применяется для производства корпусов судов, машин, самолетов и т.д.  

Специальные машины для прокатки в машиностроении 

        В группу специальных машин входят станы продольной, поперечной и поперечно-винтовой прокатки, ковочные вальцы и другие машины.

      На станах продольной прокатки металл обрабатывается валками, оси которых параллельны, а заготовка движется в направлении, перпендикулярном осям валков . На поверхности валков имеются углубления (ручьи), форму которых и приобретает заготовка после прокатки. Эта форма может быть многообразной.

        Станы поперечной прокатки служат для получения заготовок в форме тел вращения. При этом ось заготовки располагается параллельно осям валков и прокатываемому металлу придается вращательное движение относительно его оси. Таким образом, металл обрабатывается в поперечном направлении.

       Станы поперечно-винтовой (косой) прокатки отличаются от предыдущих тем, что оси их валков не параллельны, а скрещиваются. Благодаря этому заготовка, кроме вращения, получает поступательное движение (в направлении) своей оси.

     Ковочные вальцы по принципу работы близки к прокатным станам. Они имеют два рабочих валка, на которых устанавливают штампы (секторы), занимающие часть окружности валка. Подача заготовки происходит в тот момент, когда секторы выходят из рабочей зоны. При вращении валков сектора в некоторый момент соприкасаются с заготовкой и начинают ее деформировать, одновременно сдвигая заготовку в направлении, обратном направлению подачи. На ковочных вальцах осуществляют подкат и протяжку заготовок под штамповку.

       Блюмингами называются станы для производства заготовок из которых в последствии получают сортамент. Для производства заготовок под последующий листовой прокат - слябинги. В качестве заготовок на этих станах используются слитки. Естественно, что для снижения расхода энергии рационально прокатывать слитки в горячем состоянии, после разливки металла и его затвердевании. Поэтому такие станы обычно устанавливаются на металлургических комбинатах, производящих (варящих) сплав (сталь).  

Прокатка  металлов: технологические  возможности 

     Прокатка металлов возможна только пластичных металлов в горячем или холодном состоянии (фольга является продуктом прокатки чистого алюминия в холодном состоянии). Форма может быть достаточно сложной, но существуют существенные ограничения, связанные с условиями прохода металла через прокатные валки. Трудно получить поверхности перпендикулярные осям прокатных валков, поэтому необходимо предусматривать специальный наклон таких стенок. Трудно или иногда невозможно получать сортамент с  закрытыми профилями, замкнутыми поверхностями.

     Диапазон размеров (толщин) прокатываемого металла довольно широк. От толстолистового проката (>200мм) до фольги толщиной до 0,001мм. Если при прокатке в горячем состоянии точность составляет десятые доли мм, что соответствует 12-14 квалитетам точности, то при прокатке без нагрева точность может быть существенно выше и при прокатке фольги достигает тысячных долей миллиметра.

   Шероховатость также зависит от наличия нагрева и при горячей прокатке шероховатость существенно выше (до Rz 320), при холодной же прокатке (фольга) может быть получена весьма низкая шероховатость (менее Ra0,63). 

Волочение металла 

     Волочение металла - это процесс обжатия металла заготовки при протаскивании ее через волоку -инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. В результате процесса поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается.

    Волочение металла применяется без нагрева заготовки для получения тонкой проволоки (от 0,002мм до 4мм). За один цикл обжатия в волоке нельзя значительно уменьшить сечение заготовки, так как усилие может быть приложено только к выходящему из волоки концу заготовки и, при чрезмерном усилии, проволока может просто порваться. Волочением металла можно также калибровать (с целью повышения точности) : прутки различного профиля, тонкостенные трубы и т.д.

    Волочением металла получают всю проволоку для электротехнической и электронной промышленности, стальную проволоку для машиностроения, строительства и т.д. Точность профиля достигает 6 квалитета, а шероховатость поверхности может быть обеспечена менее 0,32мкм. Волоки, работающие в чрезвычайно напряженном режиме и подвергающиеся интенсивному истиранию, выполняются из сверхтвердых металлокерамических сплавов и кристаллов (алмаз). 

Инструмент  и машины для волочения 

     Оборудованием являются специальные волочильные станы, на которых за один цикл проволока может получать несколько обжатий. Заготовками для волочения металла является продукция прокатного производства (проволока "катанка" диаметром 6мм).

   К волочильному инструменту относятся волоки и оправки, последние применяются для волочения труб. Наибольшей износостойкостью обладают волоки из природных и синтетических алмазов, однако они нуждаются в интенсивном охлаждении. Алмазные волоки вставляют в оправы из латуни или бронзы и заливают легкоплавким сплавом. Рассмотрим принцип работы, и устройство наиболее простой машины для волочения – машины однократного волочения проволоки (рис. 2).  

Рис. 2. Однократная волочильная машина  

      Она состоит из станины 1 со встроенным редуктором, который приводится в движение от электродвигателя 4. На вертикальный вал редуктора насажен приемный барабан 3. Моток проволочной заготовки укладывают на фигурку (не показана), передний конец мотка заостряют в специальном приспособлении и вставляют в волоку, находящуюся в во-локодержателе 2. Выступающий из волоки конец заготовки закрепляют клещами, соединенными с барабаном цепью. После намотки 6–7 витков барабан останавливают, конец мотка освобождают от клещей, загибают вокруг штыря на верхней части барабана и продолжают волочение. Форма поверхности барабана способствует подъему намотанной проволоки вверх.                 После прохода через волоку конца мотка его снимают с барабана специальным съемником.

  В цепном волочильном стане (рис. 3) передний конец прутка или трубы 1 проталкивается через волоку 2 и затем захватывается клещами каретки 3. Каретка скрепляется с пластинчатой цепью 4, перематываемой с помощью привода 5. На входной стороне стана имеется приспособление для подачи и удержания стержня оправки. Скорости волочения на станах достигают 3–5 м/с, усилия волочения – 30–1500 кН.  

Рис.3 Устройство цепного волочильного стана  

   Недостатки цепных станов - ограниченная длина изделий, большие затраты времени на подготовку к волочению очередной заготовки. Существуют и автоматизированные линии волочения прутков, в которых специальные захваты попеременно тянут заготовку через волоку без остановки процесса.  

Прессование 

   Прессованием называют выдавливание металла из замкнутого объема через отверстие. Широко используют прессование для получения прутков, труб и профилей из алюминиевых и медных сплавов, сталей, титана и других тугоплавких металлов.    Истечение металла при прессовании может быть прямым и обратным.

     Основным оборудованием цеха пресс-изделий являются гидравлические прессы. Наиболее распространены прессы номинальным усилием 10–50 МН, хотя есть установки усилием 200 МН. Прессовая установка включает устройство для нагрева и подачи слитков к прессу, собственно пресс, выходную сторону пресса (холодильник, механизм правки, резки и смотки изделий), а также устройство гидропривода – насосные или насосно-аккумуляторные станции.

   Воздушно-гидравлический аккумулятор – это несколько высокопрочных сосудов, заполненных частично воздухом или азотом. Аккумулятор позволяет выбрать меньшую мощность насосов. Гидравлические прессы применяются не только при прессовании, но и в др. процессах ОМД.  

Устройство  гидравлических прессовых  установок 

    Гидравлические прессы позволяют получать изделия весьма сложной формы, этот метод обеспечивает получение наиболее сложных профилей, таких как оребренные трубы для теплообменных аппаратов, строительные профили (профили рам из легких сплавов).

   Гидравлические прессы позволяют получить весьма высокие точность и качество поверхности, так как практически они определяются качеством матрицы, точность и шероховатость поверхностей которой может быть достигнута в процессе изготовления. Конечно, в процессе работы матрица изнашивается, что ухудшает вышеуказанные параметры изделия.

   Гидравлические прессы широко используются для получения формованных, вытянутых и гнутых деталей из листа, для холодной объемной штамповки, правки разнообразных изделий, пакетирования и брикетирования отходов. Действие гидравлического пресса основано на ряде физических законов, в частности на законе Паскаля, устанавливающем, что давление на жидкость передается во все стороны с одинаковой силой. Если поместить в каждый из сообщающихся сосудов разного диаметра (рис. 4) по плунжеру, то, на основании этого закона, а также исходя из условий равновесия, можно написать: р = P1/F1 = P2/F2, откуда P2 = P1(F2/F1), где р – давление жидкости в системе сообщающихся сосудов, Па (кгс/см2); Р1 и Р2 – усилия, приложенные соответственно к малому и большому плунжерам, Н (кгс); F1, F2 – соответственно площади малого и большого плунжеров, м2 (см2). Таким образом, в рассматриваемой системе можно получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько площадь большого плунжера превышает площадь малого. 

Рис. 4 Принципиальная схема гидравлического пресса  

    Элементы этой принципиальной схемы можно найти в том или другом виде в любом гидравлическом прессе: роль малого плунжера выполняет поршень гидравлического насоса, подающего жидкость, а роль большого плунжера - рабочий плунжер пресса. Усилие, развиваемое прессом, определяется произведением давления жидкости на сумму площадей рабочих плунжеров. Согласно другим физическим законам, в замкнутой гидравлической системе (например, в рассмотренной нами) перемещение одного плунжера вызывает такое перемещение другого плунжера, что объем жидкости в системе остается постоянным, поскольку жидкости практически несжимаемы. Если малый плунжер пройдет большое расстояние Hi, то большой плунжер переместится всего лишь на Н2 (см. рис. 4): Hi = H2(F2/Fi). Следовательно, в гидравлическом прессе, выигрывая в силе, столько же раз проигрывают в пути. Этот вывод полностью согласуется с законом постоянства энергии. Количество энергии, подведенное к малому плунжеру, равно количеству энергии, полученной на большом плунжере (здесь не учитываются потери в гидравлической системе пресса). Сказанное можно выразить иначе. Для этого надо перемножить написанные выше уравнения для усилия и пути, в результате получим Р1Н1 = Р2Н2. Приведенные соотношения раскрывают некоторые характерные черты гидравлических прессов.

   Во-первых, развиваемые усилия гидравлических прессов в принципе не ограничены. При этом конструкция гидравлических прессов больших усилий проще, чем, например, механических прессов, развивающих те же усилия.                                          

    Во-вторых, если в гидравлическую систему насос–пресс поместить клапан, разъединяющий их в определенные моменты, можно большим числом малых ходов H1 плунжера насоса получить какой угодно большой ход H2 плунжера пресса. Таким образом, в принципе на гидравлическом прессе можно получить неограниченно большие рабочие ходы. При этом конструкция гидравлического пресса с большим рабочим ходом проще любой другой машины, развивающей такой же ход.

    Большим преимуществом гидравлических прессов является и то, что скорости движения плунжера могут быть различными. Кроме того, гидравлические прессы могут обеспечить плавное или ступенчатое изменение усилия, выдержку под действием постоянной или переменной силы, удлинение или укорочение всего цикла. В гидравлическом прессе-машине статического действия работа совершается в основном за счет энергии давления жидкости. Статический характер приложения усилия в гидравлических прессах обусловливает очень важную особенность их работы: силы, возникающие в прессе, замыкаются внутри него и не передаются на фундамент. Последний воспринимает лишь собственную тяжесть пресса и должен быть рассчитан только на его массу, в то время как фундаменты молотов, например, должны рассчитываться на энергию удара молота.

   Гидропрессовая установка состоит из собственно пресса I, привода II, органов управления III и трубопроводов IV (рис. 5). 

    Рабочий цилиндр 8, в котором находится плунжер 7, соединен трубопроводом через органы управления с приводом, обеспечивающим подачу рабочей жидкости. Плунжер, воспринимая давление жидкости, воздействует на обрабатываемую заготовку через подвижную поперечину 4 и прикрепляемый к ней с помощью пазов и крепежных болтов инструмент (верхний штамп). Так как давление жидкости с одинаковой силой действует как на плунжер, так и в обратном направлении, для восприятия этого усилия рабочий цилиндр опирается на плиту – верхнюю поперечину 5. Далее это усилие передается через верхние гайки 6 на колонны 3, а через нижние гайки 1 – на плиту 2, называемую основанием, и через нижний штамп воспринимается заготовкой и уравновешивается усилием, передаваемым на нее со стороны рабочего цилиндра. Для возврата поперечины в исходное положение после деформирования заготовки имеются подъемные (или обратные) цилиндры 9 с плунжерами 10.

    Рабочий цикл пресса состоит из трех основных периодов:

первый - поперечина приближается к заготовке (перед началом рабочего хода), т. е. холостой ход;

 второй - движение поперечины с нагрузкой - деформация заготовки, т. е. рабочий ход;

третий - поперечина возвращается в исходное положение, т.е. обратный ход. 

Рис. 5 Схема гидропрессовой установки 

   В рабочий цикл пресса, кроме того, входят вспомогательные операции, включающие, в частности, подачу заготовки и удаление изделия. Холостой ход осуществляется жидкостью, находящейся под низким давлением 400-800 кПа (4-8 кгс/см ). Низкое давление создается системой наполнения: чаще всего это один или несколько наполнительных баков, т. е. закрытых баллонов. Рабочий и обратный ходы пресса осуществляются под действием жидкости, находящейся под высоким давлением. Наиболее употребительны давления 20, 32, 45 МПа (200, 320, 450 кгс/см2). Приводы, с помощью которых создают высокое давление, бывают трех типов: насосный, насосно-аккумуляторный, мультипликаторный. Насосный привод называют иногда индивидуальным, поскольку он обслуживает один пресс. В этом приводе жидкость подается в рабочие цилиндры непосредственно насосом. Насосный привод имеет следующие достоинства:  

• наибольший коэффициент полезного действия по сравнению с другими типами привода, достигающий 0,6-0,8;  

• малые  размеры (насос с редуктором и  электродвигателем часто можно  установить прямо на прессе); 

• давление, развиваемое насосом, всегда соответствует  сопротивлению, которое оказывает  заготовка; т. к. последнее меняется во время рабочего хода, давление является переменным; от производительности насоса зависит скорость движения поперечины при определенных размерах плунжера.

     Вместе с тем насосный привод имеет недостатки. Насосы и двигатели к ним следует выбирать по максимальной скорости, с которой должна двигаться поперечина, и максимальному давлению, которое должен развивать пресс. А на практике далеко не всегда требуется, чтобы пресс работал на максимальных параметрах. Поэтому при обратных и холостых ходах, вспомогательных операциях, не говоря уже о рабочем ходе, мощность насосов используется не полностью. Для быстроходных прессов с большими усилиями требуются насосы высокой производительности и двигатели большой мощности.