Обработка металлов давлением

 

Обработка металлов давлением – технологический процесс получения заготовок необходимой формы и размеров путем пластической деформации. Обработка давлением применима к пластичным материалам (стали, медные, магниевые и алюминиевые сплавы и др.) и может производиться и в холодном и в нагретом состоянии.

При обработке металла в холодном состоянии зерна деформируются, сплющиваются и вытягиваются в направлении деформации. Прочность и твердость металла при обработке непрерывно увеличиваются, пластичность и вязкость – уменьшаются. Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Большая плотность дислокаций и высокая концентрация точечных дефектов в наклепанном слое препятствует свободному перемещению дислокаций и затрудняет дальнейшую пластическую деформацию.

При обработке металла в нагретом состоянии сопротивление деформации уменьшается за счет увеличения пластичности металла. Наклеп при деформировании уменьшается даже при небольшом нагреве, когда частично исчезают дефекты решетки. Деформированная форма зерен сохраняется. Это явление называется возвратом металла. При нагреве до более высокой температуры наклеп исчезает полностью. Процесс образования новых более совершенных зерен, за счет деформированных, называется первичной рекристаллизацией. При дальнейшем нагреве происходит вторичная рекристаллизация, сопровождающаяся ростом отдельных зерен за счет других.

Температура, при которой начинается рекристаллизация, называется температурным порогом рекристаллизации (Т _р). Она связана с температурой плавления зависимостью А. Бочвара Т _р = a × Т _пл. Коэффициент a зависит от состава и структуры металла (для сплавов – 0,5-0,6, для технически чистых металлов – 0,3-0,4). Температуры плавления металла – в градусах Кельвина.

Если деформирование металла происходит при Т > Т _р , то наклеп металла отсутствует: одновременно идут процессы упрочнения и разупрочнения – рекристаллизации. Такая деформация называется горячей. Если деформирование происходит при Т < Т _рек, то деформация называется холодной. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет не только нижний, но и верхний предел.

На рис. 10.1 показан интервал оптимальных температур 1 нагрева сталей, для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода. Верхний предел зоны нагрева лежит на 150-200 °С ниже температуры начала плавления (линии солидуса), нижний – на 60-70 °С выше температур превращения перлита и цементита в аустенит. Зона 3 пережога находится на 100 °С выше зоны 2 перегрева. Пережженый металл идет только на переплавку. В зоне перегрева происходит интенсивный рост зерна. Крупнозернистая структура металла делает его непрочным и хрупким. Для исправления перегрева необходима термическая операция отжига, измельчающая зерно. Ниже линии нижних температурных пределов начинается зона наклепа. При горячей деформации зерно получается тем мельче, чем ближе окончание обработки к нижнему температурному пределу. Заготовки нагревают в пламенных или электрических печах (камерных, методических, индукционных). Нагревать заготовку нужно быстро, чтобы не успело вырасти крупное зерно, но равномерно, чтобы минимизировать термические напряжения. В отличие от простых камерных печей, в методических печах рабочее пространство разделено на три зоны: подогрева заготовки (600-800 °С), максимального нагрева (1200-1300 °С) и зону выдержки. В устройствах электроконтактного нагрева ток большой силы (при малом напряжении) проходит через заготовку, которая служит сопротивлением и разогревает ее. В индукционных печах заготовка находится внутри индуктора (соленоида) и нагревается под действием вихревых токов Фуко. В этом случае время нагрева сокращается в 15-20 раз. По сравнению с другими печами отсутствует обезуглероживание поверхности заготовки, меньше слой окалины.

 

Прокатка

 

Прокатка – вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется между вращающимися валками. Заготовка перемещается за счет сил трения. Толщина уменьшается, но увеличивается длина и ширина. Форма поперечного сечения проката называется профилем. Прокаткой обрабатывают сталь, цветные металлы и сплавы.

При продольной прокатке (рис. 10.2,а) заготовка деформируется между вращающимися в разные стороны валками и движется поступательно, перпендикулярно оси валков. Этим способом изготавливается около 90 % проката (весь листовой и профильный прокат). При поперечной прокатке (рис. 10.2,б) оба валка вращаются в одном направлении, заготовка круглого сечения – противоположном. Заготовка деформируется, но не движется вдоль оси валков. Поперечная прокатка применяется для производства изделий, представляющих собой тела вращения – заготовки для валов переменного сечения, зубчатые колеса. При поперечно-винтовой (косой) прокатке (рис. 10.2,в) валки расположены под углом, вращаются в одну сторону и придают заготовке вращательно-поступательное движение. За счет перекоса валков заготовка получает поперечную и продольную деформацию. Этим видом прокатки производят, например, бесшовные трубы.

Прокатные валки изготовляют из легированной стали или высокопрочного чугуна с отбеленной поверхностью. Они состоят из рабочей части – бочки 1, шеек 2 и трефы 3 (рис. 10.3). Шейки валков вращаются в подшипниках. Трефа соединяется с муфтой или шпинделем и предназначена для передачи крутящего момента на валок. Валки бывают гладкими и калиброванными, т. е. имеющими ручьи определенного профиля. Ручей – профиль канавки на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями – бурты. Калибром называют полость, составленную двумя смежными ручьями пары валков. Сначала заготовку обжимают в обжимных и черновых калибрах, затем – в чистовых.

Прокатку осуществляют на прокатных станах. Оборудование для деформирования металла называется основным, если оно располагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей).

Классификация прокатных станов. По числу валков в рабочей клети на двух- (дуо-стан), трех- (трио-стан) и многовалковые станы. По направлению вращения валков – на нереверсивные и реверсивные (с переменой направления вращения валков). По конструкции валков – на станы с гладкими и калиброванными валками. По назначению – на обжимные, сортовые, листовые, рельсовые, трубопрокатные и другие станы. По размеру – на мелко- и крупносортные станы. Крупносортные станы называют блюмингами или слябингами. На этих станах слитки массой до 15 тонн прокатывают в квадратные заготовки – блюмы (для сортового проката), либо в прямоугольные листовые заготовки – слябы (для листового проката).

Продукция прокатного производства – готовые изделия (балки, трубы, рельсы и др.), заготовки для последующей механической обработки. В зависимости от профиля, прокат делится на листовой, сортовой, трубный и специальный. Сортовой прокат делится на простой (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонный (уголок, двутавр, тавр, швеллер, рельс). Листовой прокат делится на толсто- (до 160 мм) и тонколистовой (менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют жестью или фольгой. Толстолистовой прокат получают только в горячем состоянии. Трубный прокат получают на трубопрокатных станах. Бесшовные горячекатаные трубы получают из заготовок круглого сплошного сечения прокаткой сначала на стане поперечно-винтовой прокатки, где заготовка получает винтообразное движение и внутри ее образуется полость, а затем на стане продольной прокатки (пилигримовый стан) из полой заготовки (гильзы) получают трубу требуемых размеров. Сварные трубы изготовляют из горячекатаной ленты (штрипса) на непрерывных прокатных станах. Штрипс завивают на калиброванных валках с непрерывной сваркой спирального или прямого шва автоматической сварочной головкой.

 

Волочение и прессование

 

Волочение – вид обработки металлов давлением, при котором заготовка в холодном состоянии протягивается через сужающееся отверстие – волоку (рис. 10.4). Выполняют волочение через ряд уменьшающихся отверстий. При волочении происходит наклеп металла, поэтому между переходами для снятия упрочнения делают отжиг материала с последующим травлением окалины. Волочением обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы. Производят проволоку, калиброванные прутки и тонкостенные трубы различного профиля. Изделия получаются с высокой чистотой поверхности и точными размерами. Волока работает в жестких условиях, изготавливается из инструментальной стали или твердого металлокерамического сплава. При волочении тонкой проволоки – из технических алмазов. Для уменьшения трения, повышения стойкости инструмента и улучшения отвода тепла применяют жидкие и сухие смазки (минеральное масло, эмульсии, мыло, порошки графита, меди, молибдена). Волочильные станы состоят из станины с держателем для волоки и тянущего устройства. При волочении протягиваемый металл движется прямолинейно (цепной, реечный стан) или наматывается на барабан.

Прессование – вид обработки давлением, при котором нагретый металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие в матрице 2 в условиях всестороннего сжатия (рис. 10.5). Поэтому прессование единственный метод обработки материалов с низкой пластичностью (специальные стали, чугун, некоторые цветные металлы и сплавы). Металл принимает форму прутка простого или сложного сечения. Прессование проводится при температурах горячей обработки давлением.

Прямой метод прессования – металл выдавливается в направлении движения пуансона 4 (рис. 10.5,а), обратное прессование – металл движется навстречу движению пуансона (рис. 10.5,б). Из заготовки 3 прутки 1 сплошного сечения получают любым методом прессования, трубы – только прямым прессованием.

Инструмент (пресс-шайба 2, пуансон 4, камера прессования) работает в жестких условиях (большое давление, высокая температура) и быстро изнашивается. Его изготовляют из инструментальных сталей и жаропрочных сплавов. Для снижения износа инструмента применяют смазку: минеральные масла, графит, канифоль; при прессовании трудно деформируемых сталей и сплавов – жидкое стекло. Недостаток процесса: весь металл не выдавливается, остается пресс-остаток (до 20 %).

 

 

Ковка

 

Ковка – вид обработки металлов давлением, при котором металл деформируется на плоских бойках, ударами молота или давлением пресса. Изделия называют поковками. Ручная ковка имеет низкую производительность. Распространена машинная ковка. При ковке металл течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента (рис. 10.6). Заготовка помещается между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота или пресса. Процесс ковки состоит из основных и вспомогательных операций.

Осадка – уменьшение высоты заготовки за счет увеличения площади поперечного сечения. Высадка – осадка части заготовки. Выполняют при помощи оправки – подкладного инструмента. Протяжка – увеличение длины заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. Выполняется последовательными ударами молота по соседним участкам заготовки с одновременным ее перемещением вдоль оси протяжки и поворотами на 90° вокруг оси. Раскатка на оправке – увеличение внутреннего и наружного диаметров кольцевой заготовки и уменьшении толщины стенок. Прошивкой получают в заготовке сквозные отверстия или полости (глухие отверстия). Инструмент – прошивень, отход металла – выдра. Рубка – отделение одной части заготовки от другой. Гибка – придает заготовке изогнутую форму по заданному контуру. Выполняют при помощи опор и приспособлений. Изготовляют угольники, скобы. Скручивание – поворот части заготовки вокруг продольной оси. Передача – вертикальное смещение одной части заготовки относительно другой. Выполняют при помощи дополнительных опор.

Штамповка

 

Штамповка – способ изготовления сложных изделий давлением за один рабочий ход специального инструмента – штампа. Различают объемную и листовую штамповку, которую проводят в горячем и холодном состоянии. При объемной штамповке металл заготовки простой формы, деформируется и заполняет всю полость штампа. При листовой штамповке толщина полученных деталей незначительно отличается от исходной толщины листа (заготовки). Объемная штамповка чаще бывает горячей, листовая – холодной. Горячую листовую штамповку применяют при обработке давлением металлов, которые не обладают достаточной пластичностью в холодном состоянии, толстых (свыше 20 мм) листов из низкоуглеродистых сталей.

Горячая штамповка. Горячей объемной штамповкой в специальных штампах из заготовок получают штампованные поковки. Штамп – металлическая форма, внутренняя поверхность которой соответствует будущей детали, состоит обычно из двух частей, в которых имеются полости – ручьи. Одна часть штампа закрепляется на шаботе молота или плите пресса, другая – в подвижной их части.

При штамповке в открытых штампах (см. рис. 10.7,а) между частями штампа имеется зазор высотой h, в который вытекает избыток металла – облой (заусенец). Облой закрывает выход из полости штампа и заставляет металл заполнять всю форму.

При штамповке в закрытых штампах (рис. 10.7,б) зазор очень мал, облоя нет. Расход металла меньше, лучше структура металла, но масса заготовки должна отмеряться очень точно.

Различают штамповку в одноручьевых и многоручьевых штампах. Одноручьевые штампы имеют одну полость. В них штампуют изделия простой конфигурации. В многоручьевом штампе деформация происходит сначала в заготовительных (черновых) ручьях, в которых выполняются операции вытяжки или гибки, затем – в штамповочных (предварительных и окончательных) ручьях. Штампы изготавливают из легированного чугуна (для листовой штамповки) и специальных штамповых сталей, обладающих высокой твердостью, вязкостью, жаропрочностью. Оборудование для горячей штамповки – паровоздушные штамповочные молоты, гидравлические прессы. Завершающие и отделочные операции: калибровка, термообработка, очистка, правка и чеканка.

Холодная штамповка имеет высокую производительность, низкую себестоимость, дает возможность получения простых и сложных деталей с высокой степенью точности и взаимозаменяемости. Холодное выдавливание – формирование сплошного или полого изделия за счет пластического течения металла из полости штампа через отверстие. Оно имеет много общего с прессованием и бывает прямое, обратное, комбинированное в зависимости от того через какое отверстие выдавливается металл. Холодная высадка – осадка части заготовки. Этим способом производят крепежные изделия. Холодная объемная штамповка производится аналогично горячей, но только в открытых штампах.

Разделительные операции холодной листовой штамповки. Отрезка – отделение части листа в штампах или на машинных ножницах. Вырубка, пробивка – отделение части листа по замкнутому контуру. В первом случае отделяемая внутренняя часть – деталь, во втором – отход.

Формообразующие операции. Правка – необходима для устранения неровностей и искривлений плоских деталей после вырубки, пробивки.

Вытяжка – получение пустотелых, открытых с одной стороны деталей из плоской заготовки. Гибка – изменение кривизны заготовки. Отбортовка – получение горловины или бортов вокруг предварительно пробитых отверстий. Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр концевой части полой заготовки. Вальцовка (рельефная формовка) – получение из листа заготовок труб, гофрированной (волнистой) поверхности, например, накатывание резьбы на цоколях электроламп.

Штамповка взрывом. Установленная на матрице листовая заготовка опускается в воду, затем в воде, над поверхностью заготовки производится взрыв. Под действием давления жидкости заготовка деформируется и принимает форму матрицы. Электрогидравлическая штамповка подобна штамповке взрывом, только ударная волна возникает при пропускании электрического разряда через жидкость.

Специализированные процессы обработки давлением. К таким процессам относятся: обкатывание, раскатывание и калибрование отверстий, накатывание рифлений, зубьев, резьбы и т. д. Обкатыванием и раскатыванием можно проводить упрочнение плоских, конических и цилиндрических, наружных и внутренних поверхностей деталей.

Калиброванием отверстий называют однократное или многократное перемещение инструмента имеющего размеры несколько больше чем отверстие. Инструмент – шарик, специальная прошивка. Происходит сглаживание неровностей и упрочнение поверхности.

Накатывание служит для получения внешних фасонных поверхностей при вдавливании инструмента в материал заготовки. Этим методом выполняют резьбы, клейма, рифления на поверхности и т. д.

 

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

 

Несмотря на внедрение в машиностроение различных методов получения точных заготовок, обработка металлов резанием остается основным методом окончательной обработки деталей. Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом слоя металла с заготовки в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали. Слой металла, который надо удалить, называют припуском на обработку. Удаление припуска ручным способом называют слесарной обработкой, на станках – механической обработкой.

 

Основы резания металлов

 

Движения рабочих органов станков делятся на рабочие, установочные и вспомогательные. Рабочие движения сообщаются инструменту и заготовке для срезания слоя металла. Установочные – определяют положение инструмента и заготовки перед началом резания, вспомогательные – установка и снятие инструмента и заготовок. К рабочим относят главное движение резания и движение подачи, т. е. поступательные или вращательные движения заготовки и инструмента.

Главное движение резания D_r определяет скорость деформирования и отделения стружки, движение подачи D_S обеспечивает непрерывность процесса резания. Главное движение – одно, движений подачи может быть несколько. При точении главное движение резания – вращательное движение заготовки, резец совершает прямолинейное поступательное движение подачи (рис. 11.1,а).

При любом методе механической обработки на детали различают три вида поверхностей: обрабатываемая поверхность – поверхность заготовки, которая частично или полностью удаляется при обработке; обработанная поверхность образуется в результате обработки; поверхность резания образуется режущей кромкой инструмента.

Токарный резец состоит из рабочей и крепежной частей. Основные элементы рабочей части показаны на рис. 11.1,б. Для определения углов режущей части инструмента вводится статическая система координат – прямоугольная система координат с началом на вершине режущей кромки. В эту систему входят координатные плоскости (рис. 11.2): основная плоскость Р_v – проводится через вершину режущей кромки перпендикулярно направлению скорости главного движения резания; плоскость резания Р_n – плоскость, касательная к режущей кромке и перпендикулярная основной плоскости; главная секущая плоскость Р _t – перпендикулярна линии пересечения основной плоскости и плоскости резания; рабочая плоскость Р_s образована взаимно перпендикулярными направлениями скоростей главного движения резания и движения подачи. В главной секущей плоскости Р _t измеряют следующие углы (рис. 11.3). Главный передний угол g – угол между передней поверхностью резца и основной плоскостью. С увеличением угла g уменьшается деформация срезаемого слоя, снижаются силы резания, повышается качество обработанной поверхности, но снижается прочность лезвия, ухудшается отвод тепла от режущей кромки. Обычно угол g имеет значения от -10° до +20°. Главный задний угол a – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Наличие угла a уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания и уменьшает износ инструмента. Угол заострения b – угол между передней и задней поверхностями. Главный угол в плане j – образуется проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи, вспомогательный угол в плане j₁ – образуется проекцией вспомогательной режущей кромки на эту же плоскость и направлением, противоположным движению подачи. Угол в плане при вершине резца e – между проекциями режущих кромок на основную плоскость (угол заострения в плане).

Процесс образования стружки. Резец деформирует находящийся перед ним металл. Когда напряжение превышает силы внутреннего сцепления частиц металла, происходит сдвиг элемента стружки. При движении резца отделяются второй и последующие элементы стружки. Плоскость, по которой происходит скалывание отдельных элементов стружки, называют плоскостью скалывания, а угол между плоскостью скалывания и направлением скорости резания – углом скалывания. При обработке вязких металлов (мягкая сталь, медь, алюминий) этот угол (30-35°) почти не зависит от геометрии резца и образуется сливная стружка в виде ленты, завивающейся в спираль. При обработке менее вязких металлов (стали повышенной прочности, некоторые марки латуни) образуется стружка скалывания: после образования нескольких витков она отламывается. Стружка надлома – совокупность отдельных частиц неправильной формы, получается при обработке хрупких металлов (чугун, бронза) и неметаллических материалов (мрамор, стекло).

Силы резания. Для отделения стружки режущий инструмент должен преодолеть силу сопротивления металла резанию, которая зависит от: усилий, возникающих при деформировании и отделении срезаемого слоя; силы трения стружки о переднюю поверхность режущего инструмента; силы трения поверхности резания на обрабатываемой детали о заднюю поверхность режущего инструмента.

Равнодействующая всех сил, действующих на режущий инструмент, называется силой резания Р. С увеличением твердости, прочности и вязкости обрабатываемого материала возрастает и сила резания. В зависимости от типа применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) сила резания уменьшиться на 3-25 % по сравнению с работой всухую. Знание сил резания необходимо при расчете на прочность инструментов и приспособлений, определения необходимой мощности станка. Для удобства экспериментального определения силы резания, ее раскладывают на составляющие, выходящие из вершины резца (рис. 11.4). Касательная составляющая силы резания Р_z действует в направлении скорости главного вращательного движения резания. Осевая составляющая силы резания Р_x действует параллельно оси главного вращательного движения резания. Радиальная составляющая силы резания Р_y направлена по радиусу главного вращательного движения резания.

Параметры режима резания. Скорость главного движения резания (V) – скорость перемещения точки режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности в направлении главного движения. Для вращательного движения скорость резания (V) (м/мин)

V = p · D · n ·10^-3.

Скорость движения подачи – скорость перемещения рассматриваемой точки режущей кромки в направлении движения подачи. Подача (S) – перемещение инструмента в направлении движения подачи за один оборот (мм/об).

Глубина резания (t) – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, пройденное за один проход инструмента и измеренное перпендикулярно к последней (мм).

Выбор режима резания. Для каждого случая обработки существуют свои оптимальные режимы резания, которые зависят от материала обрабатываемой детали, материала инструмента и его геометрии, особенностей станка, требований к точности и качеству обработанной поверхности. В зависимости от материала детали выбирается и инструментальный материал. Существуют эмпирические формулы для расчета режимов резания. Практически режимы резания определяются по нормативным таблицам, приведенным в справочниках.

Образование нароста при резании. При резании пластичных металлов на передней поверхности инструмента скапливаются частицы обрабатываемого металла – образуется нарост. Металл прочно оседает на поверхности, когда силы трения между передней поверхностью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления материала стружки (рис. 11.5,а). Размеры и форма нароста постоянно меняются, нарост срывается и возникает вновь. Образование нароста полезно при черновой обработке, когда снимается большой слой металла и сила резания значительно возрастает. Нарост увеличивает угол заострения резца, при этом снижается сила резания и уменьшается износ инструмента. При чистовой обработке он вреден. Шероховатость обработанной поверхности увеличивается, точность обработки снижается, так как размеры нароста постоянно изменяются.

Упрочнение при резании. При обычных методах заточки режущая кромка имеет радиус закругления r» 0,02 мм (рис. 11.5,б). Инструмент срезает с заготовки стружку при условии, когда глубина резания больше или соизмерима с радиусом r. В стружку переходит слой металла, лежащий выше линии среза CD. Слой металла, лежащий между линиями AB и CD, будет упруго деформироваться. При работе режущая кромка затупляется и радиус возрастает. Расстояние между линиями AB и CD увеличивается, упругая деформация переходит в пластическую, на обработанной поверхности возникает наклеп. Упрочнение проявляется в повышении поверхностной твердости в 1,5-2 раза; глубина наклепанного слоя – 0,02-0,2 мм. Твердость, толщина упрочненного слоя зависят от способа обработки (максимальные – при сверлении), материала заготовки, геометрии инструмента, режима резания. При перемещении резца происходит упругое восстановление деформированного слоя на величину h _у, в результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и задней поверхностью инструмента. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше упругая деформация, тем больше сила трения. Для уменьшения силы трения инструмента и предусматривается задний угол.

Износ и стойкость инструмента. Износ инструмента (рис. 11.6) происходит по передней поверхности (образуется лунка шириной b) или по главной задней поверхности (образуется ленточка износа шириной h). Образование ленточки износа уменьшает глубину резания, изменяет вылет резца – точность обработки снижается. Критерий износа – допустимая ширина ленточки износа h или лунки b. Для токарных резцов из быстрорежущей стали h, b = 1,5-2 мм, резцов с пластинами из твердого сплава h, b = 0,8-1,5 мм. Период стойкости инструмента (время работы между переточками) зависит от материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки. Нормативная стойкость токарных резцов – 30-90 мин., фрез – 6-8 час, абразивного инструмента – 1-80 мин. Износ инструмента вызывает рост силы резания, увеличивает деформацию заготовки и инструмента. Растет глубина наклепанного слоя на заготовке, увеличиваются силы трения и разогрев режущей кромки инструмента и обработанной поверхности.