Обработка материалов давлением

Лабораторная работа №8

Обработка материалов давлением

    Цель  работы

    Ознакомиться  с назначением, областями применения и основными технологическими показателями процессов  обработки металлов (материалов) давлением. Получить представление о важнейших закономерностях, применяемом оборудовании и технологических особенностях различных видов обработки.

    ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

    Студенты  должны изучить методический материал лабораторной работы. Ознакомиться с физическими основами обработки материалов давлением, назначением и особенностями этих технологий. Получить представление о существующем оборудовании.

Теоретическая справка

    Обработкой  материалов давлением называется процесс воздействия на них внешних сил, под влиянием которых материал (металл) в результате остаточных деформаций меняет свою форму в желаемом направлении без разрушения. Одновременно происходит изменение структуры материала и его механических и физических свойств.

    Такое необратимое изменение формы  называется пластической деформацией.

    На  пластичность металлов оказывает влияние: температура, химический состав, структура, скорость деформации и другие факторы.

    Температура. Деформация металла при температурах ниже 0,3 абсолютной температуры плавления называется холодной, а при температурах 0,65 – 0,75 абсолютной температуры плавления – горячей.

    При деформировании в холодном состоянии  механические и физико-химические свойства металла непрерывно изменяются: твердость, прочность и хрупкость его непрерывно увеличиваются, а пластичность, вязкость, коррозионная стойкость и электропроводность уменьшаются. Это изменение свойств, связанное с деформацией в холодном состоянии, называют наклепом, а металл с деформированной в процессе обработки давлением микроструктурой называют наклепанным.

    При нагревании металл постепенно переходит из неустойчивого состояния наклепа в устойчивое равновесное состояние, причем этот процесс сопровождается изменением в структуре и свойствах металла. В начале нагревания в наклепанном слое уменьшаются твердость и прочность, возрастает пластичность. Этот процесс называют возвратом металла. При дальнейшем нагреве из обломков деформированных зерен возникают новые зерна, имеющие неискаженную кристаллическую решетку. Процесс образования новых зерен называют рекристаллизацией.

    Химический  состав. С увеличением в стали содержания углерода, фосфора и серы, марганца и кремния пластичность уменьшается, а при увеличении в ней никеля и ванадия – увеличивается. Различную пластичность имеют и различные металлы.

    Скорость  деформации. С увеличением скорости деформации сопротивление металла деформированию увеличивается. При скоростях деформации больше предельно допустимых происходит разрушение деформируемого металла.

    Температурные интервалы. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет свой верхний и нижний пределы, образующие область нагрева, называемую температурным интервалом обработки. При температуре выше верхнего предела происходит пережог металла, он становится годен только на переплавку; при температурах ниже нижнего предела имеет место наклеп.

    Нагревательные устройства. Нагрев металла для горячей обработки производится в горнах, пламенных и электрических печах с помощью контактных и индукционных нагревателей.

    Горн  является простейшим нагревательным устройством  и применяется главным образом при ручной ковке.

    В зависимости от характера температур в рабочем пространстве печи делятся на камерные и методические. В камерных печах температура одинакова на всем рабочем пространстве. В методических печах нагрев заготовок осуществляется постепенно, по заданному режиму.

    Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка  представляют собой различные виды обработки металлов давлением в пластическом состоянии.

Прокатка  металлов

    Прокаткой называется вид обработки давлением, при котором процесс деформации металла осуществляется сдавливанием его между вращающимися цилиндрами (валками). При прокатке сдавливаемый металл вытягивается в продольном направлении, сжимаясь в вертикальном и уширяясь в поперечном направлении. Окончательный размер и форма поперечного сечения, полученного прокаткой изделия, определяются профилем отверстия между сжимающими металл валками. Существуют три основных способа прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (косая).

    Прокаткой обрабатывается сталь, цветные металлы  и их сплавы.

    При продольной прокатке деформирование заготовки осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис.1).

    Непрерывное втягивание металла в щель между  вращающимися валками и изменение размеров полосы обеспечивается наличием контактного трения между обрабатываемой полосой и рабочей поверхностью валков.

Рис.1. Схема  процесса продольной прокатки 

1,3 –  валки; 2 – заготовка.

    Из  простейшей схемы поперечной прокатки видно, что оси прокатных валков 1 и 3 обрабатываемой заготовки 2 параллельны (или пересекаются под небольшим углом) (рис.2). Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.

    Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечиваются соответствующей профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят изделия, представляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни и др.).

Рис.2. Схема  процесса поперечной прокатки

1,3 –  валки; 2 – заготовка

    Поперечно-винтовая или косая прокатка выполняется во вращающихся в одном направлении валках, установленных в прокатной клети под некоторым углом друг к другу (рис.3). Способ используется при производстве труб, главным образом для прошивки слитка или заготовки в гильзу. В момент соприкосновения металла с вращающимися валками, имеющими наклон к оси заготовки, возникают силы, направленные вдоль оси заготовки, и силы, направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил обеспечивает вращение, втягивание обрабатываемой заготовки в суживающуюся щель и деформирование.

Рис.3. Схема  процесса косой прокатки

    Прокатка  производится на специальных машинах  – прокатных станах, устройство которых зависит от вида прокатываемых изделий и их размеров. Прокатные станы классифицируются:

- по  числу валков ( два валка –  дуостаны; три валка – триостаны  и т.д.);

- по  направлению вращения валков (постоянное  или переменное);

- по  конструкции валков ( гладкие или  ручьевые);

- по  назначению (обжимные, черновые, сортовые, листовые и др.);

- по  размеру (мелкосортные, средне и  крупносортные).

    Прокатные станы по характеру выпускаемой продукции разделяются на обжимные, сортовые, листопрокатные, трубопрокатные, периодического проката, определенного назначения.

    Обжимные  станы служат для подготовки слитков к последующей их обработке давлением. Эти станы разделяются на блюминги и слябинги. Первые – это реверсивные мощные двухвалковые или трехвалковые станы, служащие для подготовки из слитков стальных заготовок (блюмов) для последующего проката сортовых материалов. В процессе прокатки кусок металла должен переворачиваться.

    Слябинги  служат для проката из слитков  стали листовых заготовок (слябов) толщиной 75 – 300 мм и шириной 400 – 1600 мм.

    Сортовые  станы служат для получения металлических  полос, прутков и балок с различными профилями поперечных сечений. 

Холодная  прокатка и волочение.

    Холодную  прокатку применяют для получения  тонких изделий: листов малой толщины, стальных полос и др. Холодную прокатку обычно производят на реверсивных и непрерывных станах, валки которых должны быть закаленными, а поверхность совершенно гладкой. В процессе прокатки металл наклепывается; для устранения наклепа металл подвергается отжигу.

    Волочением  называется особый вид обработки металлов давлением, при котором обрабатываемый металл, обычно в холодном состоянии, протягивается через отверстие волочильной доски - глазок специального инструмента (рис.4). Если глазки выполнены вставными, то они называются фильерами. Сечение отверстия меньше сечения протягиваемой заготовки. Волочением получают проволоку с минимальным диаметром 0,002 мм, прутки диаметром до 100 мм, причем не только круглого сечения, трубы (обычно небольшого диаметра и с тонкой стенкой). Изделия, получаемые волочением, обладают высоким качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения.  Если изделию требуется придать в основном эти характеристики, то такой вид обработки называют калибровкой.

Рис.4. Схема  процесса волочения

Прессование металла.

    Процесс прессования представляет собой  выдавливание металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие матрицы (Рис.5).

      

Рис. 5. Схема прессования деталей прямым (а) и обратным (б)    способом

1 –  матрица; 2 – приемник.

    Прессование выполняется в условиях наиболее благоприятной схемы напряженного состояния – неравномерного трехосного сжатия. Поэтому данным способом обрабатывают металлы, деформирование которых другими способами из-за низких природных пластических свойств не представляется возможным. Однако прессованием получают изделия и из металлов с высокими пластическими свойствами, что объясняется рядом преимуществ данного вида обработки.

    Основным  признаком разновидностей процесса прессования является наличие или отсутствие поступательного перемещения металла относительно стенок приемника.

    Техосное сжатие, имеющее место при прессовании, вызывает необходимость значительных усилий при обработке, и, как следствие, повышенный расход энергии на единицу объема деформируемого тела.

    Разнообразие  металлов и сплавов, обрабатываемых прессованием, и богатый сортамент изделий требует наличия таких машин-орудий, которые позволяли бы в широких пределах регулировать условия обработки. Наибольшее распространение получили прессы с гидравлическим приводом (обычно горизонтальные).

    Достоинства процесса прессования – высокая точность и большая производительность; недостатки – сильный износ матриц, а следовательно, их большой расход.

  Ковка и штамповка.

    Пластическая  обработка металлов прерывистым  воздействием универсального инструмента или соответствующей рабочей частью универсального инструмента (штампа) для придания телу заданной формы и размеров называется в первом случае ковкой, а во втором – штамповкой.

    Для процессов ковки исходными материалами  являются слитки, масса которых может составлять от 1-2 кг до 250-350 т, и прокатные заготовки. Для горячей штамповки используют кованные, прокатанные и прессованные заготовки, жидкий металл. При листовой штамповке исходный материал – это горяче- и холоднокатанные листы и ленты из различных металлов, сплавов и других материалов.    

    Для получения изделий ковкой исходный продукт обрабатывают многократным прерывистым воздействием универсального инструмента – молота или пресса. Смещаемый объем деформируемого тела по высоте свободно перемещается по контактной поверхности инструмента. Ковка находит применение при единичном и мелкосерийном производстве и выполнении ремонтных работ.