Основные положения обработки металлов давлением

В основе всех способов обработки металлов давлением лежит процесс пластической деформации, при которой изменяется форма без изменения его массы. Все расчеты размеров и формы тела при обработке давлением основаны на законе постоянства объема, суть которого заключается в том, что объем тела до и после пластической деформации остается неизменным: V₁ = V₂ = const.

Изменение формы тела может происходить в направлении трех главных осей; при этом каждая точка стремиться переместиться в том направлении, в котором создается наименьшее сопротивление ее перемещению. Это положение в теории обработки металлов давлением носит название закона наименьшего сопротивления. Так, например, если при прокатке в двух валках с поперечными насечками течение металла вдоль оси прокатки сдерживается, а в поперечном направлении увеличивается, то при круговых насечках будет наблюдаться обратное явление. Другим примером действия закона наименьшего сопротивления может служить превращение заготовки прямоугольного сечения при ее осаждении в поковку круглого сечения.

Законы постоянства объема и наименьшего сопротивления распространяются на все способы обработки металлов давлением.

Прокатка металлов.

Сущность процесса прокатки

При прокатке металл пропускается между вращающимися в разные стороны валками прокатного стана, зазор между которыми (зев) устанавливают меньше толщины исходной заготовки. В результате обжатия между валками (пластической деформации) толщина заготовки уменьшается, длина соответственно увеличивается и может быть небольшое уширение заготовки по сечению.

Валки прокатного стана имеют форму гладких цилиндров или цилиндров с канавками (ручьями) различной формы. При совмещении ручьев двух валков образуется так называемый калибр. При пропуске заготовки последовательно через ряд калибров ее сечение постепенно приобретает профиль получаемого изделия. Последний калибр (отделочный) соответствует профилю изделия. На станах с гладкими валками прокатывают пластины, полосы и листы, а в валках с ручьями получают изделия различного профиля – рельсы, балки и др.

Существуют три основных способа прокатки: продольная, поперечная и косая. Продольной прокаткой производится около 90% всего проката, в том числе весь листовой и профильный прокат.

Косую и поперечную прокатки применяют для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения; косую для прокатки бесшовных труб; поперечную для прокатки изделий с периодически изменяющимся профилем по длине.

Прокатку стали обычно производят в горячем состоянии. Только тонкий листовой материал прокатывается в холодном состоянии.

Исходным материалом для прокатки являются слитки весом до 25 тонн и более. Из сталеплавильного цеха слитки поступают в отделение нагревательных колодцев прокатного цеха. Далее слитки краном и слитковозом подают на рольганг (конвейер для транспортировки массивных штучных грузов по роликам), который направляет их для проката на блюминг, прокатывающий слитки в блюмсы квадратного сечения (от 350х350 до 150х150), или слябинг, прокатывающий слитки в листы.

Далее блюмсы прокатывают на заготовку с размером поперечного сечения до 50х50 на сортовом или на непрерывно-заготовительном стане. Далее заготовки прокатывают на сортовых или других станах для получения проката различного профиля.

В современном прокатном производстве цикл прокатки разделяется на две стадии: слиток - заготовка; заготовка - готовый продукт.

Перечень выпускаемого проката с указанием профилей, размеров и качества материала принято называть сортаментом, который стандартизирован. Сортамент стального проката делится на 4 группы: сортовой прокат; листовой прокат; трубы, проволока - катанка; периодический специальный прокат (бандажи, колеса, оси и др.).

Сортовой прокат разделяется на простой и фасонный. Простой – профили с простой геометрией (форма поперечного сечения – круг, овал, полуовал, квадрат, прямоугольник, треугольник, шестигранник). Простой прокат может служить исходным материалом для получения фасонных профилей и заготовок для кузнечного производства. К фасонному прокату относят рельсы и различные балки – тавры, двутавры, швеллеры, уголки.

Скорость прокатки на непрерывных станах при прокатке сортового металла достигает 7-15 м/c, при прокатке проволоки 25-50 м/с, а при холодной прокатке жести – до 35 м/с. На других станах скорость прокатки не превышает 7 м/с.

Прокатка труб

Прокаткой изготовляют сварные (шовные трубы) и более точные бесшовные трубы.

Заготовкой для изготовления сварных труб служат штрипс - нарезанные полоски, у которых длина и толщина соответствуют длине трубы и толщине ее стенки, а ширина равна длине окружности трубы (при сварке внакладку она должна быть больше на величину припуска).

При прокатке труб диаметром до 750 мм с печной сваркой штрипс нагревают в печи до t = 1300-1350⁰ C и протягивают через воронку на протяжном стане, вследствие чего штрипс сворачивается в трубу, при этом кромки его соприкасаются в стык и в результате давления при протяжке свариваются. Сваренная труба прокатывается на калибровочном стане и проходит отделочные операции. Трубы диаметром больше 750 мм со стенками толщиной до 14 мм при печной сварке изготавливаются путем двух нагревов: первого до t = 1000-1100⁰ C для протягивания штрипса через воронку (завертывание трубы), второй нагрев по кромкам до t=1200-1350⁰ C под сварку. Сварка производится при обжатии шва между парой валков прокатного стана и оправкой.

При производстве шовных труб из ленты в рулонах обычно применяют электродуговую или газовую сварку. При этом способе сворачивание листа в трубу производитсяна непрерывном стане дуо (двухвалковом), имеющем от 5 до 12 клетей. Затем шов сваривается и труба поступает в калибровочный стан. Здесь могут быть изготовлены трубы большой длины и прочности со стенкой толщиной от 0,15 мм.

Прокатка бесшовных труб из слитков или заготовок крупного сечения состоит из двух основных операций: прошивки отверстия в слитке на валковом стане косой прокатки, в результате чего получается короткая толстая труба (гильза), и в прокатке гильзы на пилигримном стане.

Вследствие вращения косоустановленных валков в одну сторону заготовка при прокате приобретает вращательно-поступательное движение ( в результате чего ее обработка происходит по винтовой линии) с образованием полой цилиндрической заготовки - гильзы. По мере образования гильзы заготовка одевается на дорн, который предает ее отверстию правильную форму и ровную поверхность.

Пилигримный стан для дальнейшей прокатке гильзы в трубу нужной длины представляет собой стан дуо с ручьевыми валками переменного радиуса. Прокатка гильз проходит по оправке. Гильза прокатывается в трубу постепенно за 120-180 подач. На пилигримных станах обкатывают трубы диаметром до 605 мм и длиной до 30 м и более.

Свободная ковка

Ковкой называется процесс обработки металла, находящегося в пластическом состоянии под действием бойка молота (динамическое воздействие) или пресса (статическое воздействие) с использованием при необходимости подкладного инструмента.

Изделие, полученное ковкой, называют поковкой. Поковки могут иметь самую разнообразную форму и вес от нескольких граммов до сотен тонн.

Большие поковки получают непосредственно из слитков, поковки средних и малых размеров - из прокатных заготовок.

Ковку применяют в условиях единичного и мелкосерийного производства. Заготовку куют между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота или пресса.

Узкие углубления, пазы, канавки, отверстия малых диаметров при ковке получить трудно, а в некоторых случаях и невозможно. Поэтому эти элементы ковкой обычно не выполняют, а оставляют в соответствующих местах поковок излишек металла - напуски. Размеры поковок по сравнению с размерами готовых деталей увеличивают на величину припусков, удаляемых затем при обработке резанием.

Рис. 8 Основные операции свободной ковки: а,г – осадка; б – высадка; в – протяжка; д – раскатка трубы на оправке; е – раскатка; ж – гибка; з – рубка; и – прошивка; к – разметка; л – пережим. 1,2 – деформация металла при осадке; 3 – отверстие, полученное прошивкой; 4 – подкладное кольцо

Основные операции свободной ковки представлены на рисунке 8.

Осадка - увеличение площади поперечного сечения с одновременным уменьшением высоты. Во избежание изгиба продольной оси осаживаемой заготовки ее длина не должна превышать диаметр более, чем в 2,5 раза (Н £ 2,5d).

Осадку части заготовки называют высадкой. Высаживать можно головки болтов и т. д.

Протяжка - увеличение длины заготовки за счет уменьшения площади ее сечения. Ее осуществляют последовательным обжатием заготовки с постепенной подачей ее вдоль оси и поворотом ее вокруг этой оси после каждого обжатия. Протяжку применяют при ковке длинных поковок.

Прошивку выполняют в три приема. Сначала ударами молота глубоко вгоняют в поковку инструмент - прошивень. Затем поковку с застрявшим в ней прошивнем переворачивают, кладут на подкладное кольцо и легким ударом удаляют прошивень из отверстия. Это глухое отверстие называют наметкой, а оставшийся слой металла - пленкой. Затем прошивнем удаляют и оставшийся слой металла - пленку. Образующийся при этом отход металла называют выдрой.

Рубку обычно осуществляют в два приема. Сначала заготовку надрубают топором, а затем, перевернув на 180°, квадратом отсекают надрубленную часть.

Перед ковкой заготовку нагревают до температуры ковки в камерной печи или другом нагревательном устройстве. Как правило, ковка начинается с осадки заготовки для получения улучшенной структуры металла.

Для ковки используют пневматические или паровоздушные молоты и ковочные гидравлические прессы.

Штамповка

При горячей объемной штамповке формообразование поковок осуществляется в специальных инструментах - штампах, рабочие полости (ручьи) которых допускают течение деформируемого материала только в определенном направлении и до определенных пределов. Так обеспечивается принудительное получение заданной формы и размеров поковки.

Штамповка во много раз производительнее ковки, так как при штамповке в большинстве случаев деформируемый материал сразу или быстро, за несколько ударов, принимает форму ручья штампа, а нередко окончательную форму поковки. Окончательную поковку получают, как правило, за несколько переходов. Штамповка позволяет получать поковки усложненной формы, невыполнимые при ковке. Напуски при штамповке уменьшаются. Штамповка обеспечивает более высокую точность и чистоту поверхности поковок. Это позволяет в 2-3 раза уменьшить припуски и допуски поковок. Благодаря этому не сопрягаемые поверхности деталей, изготовленных из штамповочных поковок, можно не обрабатывать резанием.

Горячую объемную штамповку широко применяют главным образом в массовом и крупносерийном производстве, так как при малом количестве поковок изготовление штампов экономически не выгодно.

Штампы для объемной штамповки бывают открытые и закрытые.

Открытыми называют штампы, у которых вдоль всего внешнего контура окончательного штамповочного ручья сделана специальная облойная канавка 2 (см рис. 9).

При штамповке в эту канавку через узкую щель - мостик 1 вытекает часть металла заготовки, образуя по контуру канавки облой. Для создания облоя заготовки при штамповке в открытых штампах несколько увеличивают, что ведет и к увеличению технологических отходов металла.

При горячей объемной штамповке на молотах и прессах обычно не удается получать в поковках сквозные отверстия. Поэтому их заменяют встречным выемками - наметками 6, между которыми остается пленка 7 толщиной 5…7 мм. Облой 1,2 и пленку 7 удаляют после штамповки при обрезке.

Штампы, в которых металл деформируется в закрытом пространстве, называют закрытыми, а штамповку в них безоблойной.

Закрытые штампы обычно сложнее открытых и безоблойная штамповка многих поковок, особенно сложной формы, еще не освоена. Основная причина этого заключается в том, что при штамповке в закрытых штампах необходимо строго контролировать величину угара и точно дозировать металл.

Общая технология изготовления поковок горячей объемной штамповкой обычно состоит из следующих операций.

1 - рубка (обрезка) заготовки;

2 - нагрев заготовки;

3 - собственно штамповка (в несколько переходов или даже операций: осадка и окончательная штамповка);

4 -обрезка облоя и прошивка пленки;

5 - термообработка;

6 - очистка от окалины;

7 - если необходимо - калибровка или чеканка.