Подготовка поверхности металла к волочению

Технологические операции производства в значительной мере определяются сортаментом, химическим составом и структурой исходного металла, а также требованиями к готовому изделию.

Прокат из углеродистых, автоматных и низколегированных сталей сразу подвергается операциям удаления окалины с поверхности.

Высоколегированные стали перед этим обрабатываются в термических печах для обеспечения требуемой структуры металла. Термическая обработка заключается в нагреве до температуры 720°-800°С, выдержке при этой температуре в течение 30-45 минут, затем медленном охлаждении до t° 600-650°С и дальнейшем резком охлаждении, чтобы отделилась основная часть окалины. Остаток окалины на прутках может быть отделен механическим путем во вращающихся барабанах и дробеметных установках.

В технологии калибровочного производства широко применяют роликоправильные машины, в которых пластический знакопеременный изгиб используют как для правки, так и для разрыхления окалины.

Таким образом снимают около 95% окалины, остатки удаляют металлическими щетками.

Последующее травление окончательно удаляет окалину и осуществляется обычно в кислотных растворах (64-75 % H₂SO₄ c некоторыми добавками ингибиторов, чтобы интенсифицировать процесс травления и снизить скорость растворения самого металла). Травление длится обычно 20-70 минут при температуре 85-90°С. Для более быстрого отделения окалины на некоторых заводах используют ультразвуковое колебание ванны.

При травлении выделяется водород, который частично растворяется в верхнем слое металла и ухудшает его свойства. Этот недостаток устраняется, если используется соляная, а не серная кислота, но ее тяжело транспортировать, и стоимость соляной кислоты выше, чем серной.

Легированные марки сталей обычно имеют окислы сложного химического состава, травление их занимает значительно больше времени. Для травления таких сталей в сернокислые ванны добавляют азотную или соляную кислоту.

После травления в любом растворе подкат промывают в горячей и холодной воде для удаления частиц окалины, а затем подвергают его операции желтения. Эта операция заключается в том, что прутки после промывки выдерживают мокрыми в подвешенном состоянии 30 - 60 минут, и на их поверхности образуется тонкая пленка ржавчины.

Прутки и трубы из легированных марок сталей подвергают меднению в 2-4% растворе H₂SO₄+CuSO4 в течение 2-5 минут. Эта пленка металлической меди так же, как и тонкий слой гидрата окиси железа способствуют лучшему удержанию смазки в очаге деформации при волочении.

После меднения или желтения следует операция известкования - погружение пакета или бунта в ванну с известковым раствором, нагретым до температуры 80-90°. На поверхности металла оседает тонкий слой извести, который нейтрализует остатки кислоты, предохраняет поверхность металла от ржавчины во время транспортировки и хранения, способствует лучшему удерживанию и захвату смазки во время волочения.

Известкование имеет ряд недостатков, в частности, способствует запыленности в цехе.

Вместо извести можно использовать и другие, относительно новые и достаточно эффективные покрытия:

- покрытие бурой Na₂B₄O₂·10H₂O - обеспечивает более высокие скорости волочения;

- фосфатирование (выдержка в течение 5-10 минут в растворе солей ортофосфорной кислоты) - такая пленка не теряет своих свойств при нагреве до 600°С, при этом стойкость волочильного инструмента повышается в 4-12 раз;

- для хромоникелевых сплавов применяют оксалатирование (травление солями щавелевой кислоты) в течение 10-15 минут.

Все эти покрытия имеют один недостаток - они дороги.

Заключительной операцией подготовки является сушка металла при температуре 300-400° 5-20 минут в сушилках с электрическим или газовым нагревом.

2.11 Схемы волочильных станов

Цепной волочильный стан.

Тяговое усилие до 750 кН, длина прутков до 18 м, скорость волочения проволоки до 450 м/мин. В цепных станах осуществляется автоматическая подача смазки к волочильному инструменту. Смазка представляет собой густую консистентную основу (солидол и др.) с добавками (графит и др.). Одновременно можно тянуть до трех прутков.

Рис. 14 Цепной волочильный стан:

1 – цепной тяговый орган; 2 – каретка; 3 – изделие; 4 – волока; 5 - заготовка

Волочильный стан с гусеничным тяговым устройством.

Скорость волочения до 75 м/мин.

Может быть установлен в поточную линию, где есть дробемет, устройство для выпрямления прутка, ножницы, сварочная машина для сваривания прутка в стык и обеспечения непрерывности процесса.

Можно волочить как прутки длиной до 18 м (одновременно до трех штук), так и трубы. Прутки и проволоку диаметром от 6 до 20 мм изготавливают на станах с бунтовым подкатом (из Cu, Al, Fe).

Рис. 15 Гусеничный волочильный стан:

1 – двухгусеничный тяговый орган; 2 – изделие; 3 – волока; 4 - заготовка

Барабанный волочильный стан однократного волочения.

Скорость волочения достигает 200 м/мин. Бунты массой до 600 кг, прошедшие операции подготовки поверхности к волочению разматывают, а затем передний конец бунта приваривают к концу предыдущего, образуя непрерывный поток.

Смазка - мыльный порошок или мыльная стружка.

Рис. 16 Барабанный стан однократного волочения:

1 – приемный (приводной) барабан; 2 – изделие; 3 – волока; 4 - заготовка; 5 – барабан с бунтовым материалом (неприводной).

Барабанные машины многократного волочения (с последовательно расположенными барабанами).

Применяются для волочения проволоки любых размеров, чаще всего тонкой. Количество волок определяется суммой деформаций, которая допустима до отжига.

Рис. 17 Барабанная машина с последовательно расположенными барабанами

Машины многократного волочения (со ступенчатыми роликами).

Предназначены для волочения средней, тонкой и тончайшей проволоки.

По сравнению с предыдущим типом машин многократного волочения эти позволяют компактно расположить барабаны и разместить большее количество волок в ограниченном пространстве. Скорость волочения алюминиевой проволоки на таких станах достигает 25 м/мин.

Прессование

Прессование как процесс выдавливания металла из замкнутого объема через канал, образуемый прессовым инструментом, применяется для получения готовых изделий из заготовок при производстве прутков и труб крупного и фасонного сечения.

Прокаткой получать эти изделия выгодно при большом объеме однотипной продукции. При малотоннажных заказах прессование более экономически выгодно, так как позволяет быстро и с малыми потерями перестраивать процесс. Прутки и трубы из цветных металлов получают именно этим способом.

Из всех высокопроизводительных процессов получение изделий и прессование обеспечивает самую благоприятную схему напряженного состояния металла - схему трехосного неравномерного сжатия, при которой пластичность металла наивысшая.

Различают несколько технологических схем прессования. Наиболее распространенной и простой является схема прямого прессования, когда металл течет в направлении движения инструмента.

Можно выделить несколько разновидностей этого процесса, но общим для них является перемещение всей массы металла относительно контейнера, сопровождающееся наличием сил трения на контакте с контейнером, следствием чего является высокая степень неравномерности деформации металла.

Имеются прессы прямого прессования с опережающим заготовку движением контейнера. В таких прессах силы трения не тормозят процесс прессования, а, наоборот, ему способствуют.

При обратном прессовании нет перемещения металла относительно контейнера, поэтому внутри металла создается схема почти равномерного сжатия, исключающая пластическую деформацию почти во всем объеме. Только в непосредственной близости от матрицы начинается пластическое истечение. В связи с этим механические свойства готовых изделий получаются равномернее по сечению и длине, чем при прямом прессовании. При обратном прессовании требуется меньшее усилие, возможна более высокая скорость истечения металла, чем при прямом. Однако эта схема сложнее, более трудоемка и применяется реже.

2.13 Характер деформации при прессовании

Процесс деформации металла при прямом прессовании состоит из двух стадий. В начальный момент заготовка имеет меньший диаметр чем контейнер, деформируется между матрицей и пресс-шайбой, заполняя все зазоры и полость матрицы. Основная стадия процесса начинается истечением металла из канала матрицы и заканчивается при некотором зазоре между пресс-шайбой и матрицей. Невыпрессованная часть металла в контейнере (пресс-остаток) отделяется пилой от готового прутка и убирается из контейнера.

При прессовании деформация протекает крайне неравномерно, различаясь в различных точках сечения в сотни раз, пожалуй нет другого технологического процесса, в котором бы при такой неравномерности деформаций металл не разрушался бы: схема трехстороннего сжатия предотвращает образование трещин.

В углах вблизи матриц металл практически не деформируется – там образуются мертвые зоны.

Чем больше вытяжка l = F₀/F₁, тем больше протяженность этих зон сокращается; чем меньше угол наклона матрицы a, тем меньше величина мертвых зон, при углах, меньших 60° они практически исчезают, однако матрицы с малыми углами применяются редко. Мертвые объемы задерживают выход на поверхность пресс-изделия окалины и дефектов с поверхности слитка и обеспечивают высокое качество поверхности изделия. наиболее распространены плоские матрицы с a = 90°.

Объем и конфигурация мертвых зон зависят от температурных условий. Чем больше разница температур между металлом и контейнером, тем выше неравномерность деформации и больше протяженность мертвых зон; при горячем прессовании контейнер поворачивают, чтобы уменьшить этот эффект. Смазка контейнера и матрицы уменьшает мертвые зоны, но ухудшает качество прутков. Так, для алюминия широко применяют прессование без смазки. Низкие температуры так же опасны с позиции качества пресс-изделия.

Мертвые объемы деформируются в основном упруго; центральные слои металла деформируются слабо: металл быстро и с большой скоростью устремляется в канал матрицы (если прессуется слиток, то недостаточная проработка сердцевины может отрицательно сказаться на пресс-изделии). В этом состоит один из недостатков прямого метода прессования. Наибольшую деформацию испытывают промежуточные слои. Эти слои соприкасаются с одной стороны с почти неподвижными приконтактными слоями, а с другой - с быстро движущимися центральными слоями. Вследствие этого промежуточные слои значительно вытягиваются, иногда в сотни раз. Если металл имеет низкое сопротивление деформации, то сначала центральные, а затем прилегающие к ним слои легко текут, пластическая деформация быстро охватывает весь объем металла. Слои начинают перемещаться, образуя картину турбулентного течения.

При этом задолго до конца прессования металл центральных слоев «расходуется» и отстает от пресс-шайбы. Это явление называется утяжкой. При дальнейшем прессовании пресс-утяжка попадает в канал матрицы, образуя полость по оси готового изделия. Во избежание этого необходимо вести процесс с большим пресс-остатком. Труднодеформируемые стали текут более равномерно, чем легкопрессуемые. Течение металла для них ближе к ламинарному, пластическая деформация сосредоточена вблизи матрицы, пресс-утяжка минимальна или не образуется вовсе.

Большая неравномерность деформации особенно опасна для малопластичных материалов. Она вызывает сильные взаимодействия между сильнодеформированными и слабодеформированными объемами, создавая дополнительные, взаимоуравновешенные напряжения внутри металла. Эти напряжения не столь опасны внутри контейнера, когда металл сжимается по трем осям, но на выходе из канала матрицы дополнительные растягивающие напряжения способны образовать наружные трещины (такие трещины наблюдаются при прессовании дюралюминия). Трещины могут появляться за счет интенсивного тепловыделения в сильнодеформируемых областях металла, если происходят фазовые превращения или оплавление металла и за счет этого местное снижение пластичности.

С целью улучшения условий деформации металла полезно вести процесс прессования при низких температурах, насколько позволяет мощность пресса. Сопротивление деформации при этом возрастает, но равномерность истечения увеличивается.

Неравномерность деформации и величину пресс-утяжки значительно снижает смазка контейнера, а также уменьшение шероховатости поверхностей контейнера и матрицы. Отрицательное влияние на характер течения металла по поверхности пресс-шайбы оказывает ее качественная торцевая поверхность - улучшаются условия течения центральной зоны и пресс-утяжка увеличивается. Торцевую поверхность пресс-шайбы необходимо делать рифленой с загрубленной поверхностью.

Наибольшая равномерность деформации металла достигается при гидропрессовании, когда пресс-штемпель отсутствует и на заготовку воздействует жидкость высокого давления. При истечении металла рабочая жидкость, опережая металл, тонким слоем вытекает вместе с изделием, обеспечивая режим гидродинамического трения.

Так как жидкость течет быстрее металла, то силы трения направлены в сторону его движения и не тормозят, как при механическом прессовании, а наоборот способствуют процессу. Гидравлическое прессование применяют при прессовании очень хрупких металлов, а также при прессовании биметаллических прутков из специальных заготовок.

Одним из эффективных методов борьбы с неравномерностью деформаций является прессование через многоканальные матрицы. Плоская матрица с несколькими каналами применяется прежде всего при прессовании мелких прутков (диаметром 15-40 мм) для увеличения производительности. При выборе этого процесса улучшаются условия истечения металла: деформация внутри контейнера выравнивается, сосредотачиваясь вблизи зон истечения, а пресс-утяжка разбивается на отдельные участки, глубина которых меньше, чем при течении через один канал.

Весьма эффективным средством борьбы с неравномерностью деформации является обратное прессование металла.

Пластическая деформация сосредоточена в непосредственной близости к матрице. Центральные слои вступают в пластическую деформацию на более поздней стадии, чем при прямом прессовании. При обратном прессовании пресс-утяжка образуется гораздо позже, чем при прямом. Мертвые зоны имеются, но их величина значительно меньше, поэтому большее количество дефектов заготовки с поверхности попадает в прессованное изделие. Чтобы получить качественное изделие, необходимо слиток обдирать, что удорожает продукцию.

Выводы

Внедрение технологических процессов обработки металлов давлением, по сравнению с другими видами металлообработки (литьё, обработка резанием) неуклонно расширяется, что объясняется уменьшением потерь металла, возможностью обеспечения высокого уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

Обработкой металлов давлением могут быть получены изделия с постоянным или периодически изменяющимся поперечным сечением (прокатка, волочение, прессование) и штучные изделия разнообразных форм (ковка, штамповка), соответствующие по форме и размерам готовым деталям или незначительно отличающиеся от них. Штучные изделия обычно подвергаются обработке резанием. Объём удаляемого при этом металла зависит от степени приближения формы и размеров поковки или штамповки к форме и размерам готовой детали. В ряде случаев обработкой давлением получают изделия, не требующие обработки резанием (болты, винты, большинство изделий листовой штамповки).

Обработка металлов давлением может применяться не только для получения заготовок и деталей, но и как отделочная операция после обработки резанием (дорнование, обкатка роликами и шариками и т.п.) с целью уменьшения шероховатости поверхности, упрочнения поверхностных слоев детали и создания желательного распределения остаточных напряжений, при котором эксплуатационные характеристики детали (например, сопротивление усталостному разрушению) улучшаются.

Контрольные вопросы

1. На каких законах основана обработка металлов давлением?

2. Какие виды обработки металлов давлением характерны для металлургических заводов?

3. В чем сущность процесса прокатки?

4. Перечислите основные операции свободной ковки.

5. Что является главной особенностью штамповки?

6. Почему закрытые штампы не нашли широкого применения для горячей объемной штамповки?

7. Перечислите варианты волочения труб.

8. С какой целью проводят подготовку поверхности и структуры металла к волочению?

9. Перечислите способы борьбы с неравномерностью деформации при прессовании.