Методы производства машиностроительных профилей (прокатка,волочение,прессование)

Машиностроительные профили – длиномерные изделия (у которого один размер – длина значительно больше поперечных размеров) с определенной формой поперечного сечения. Данные о группе профилей, различающихся фо­рмой и размерами, называют сортамен­том. Весь сортамент машиностроитель­ных профилей, получаемых обработкой давлением, можно разделить на четыре основные группы: сортовые профили, листовой металл, трубы и периодичес­кие профили.

Сортовые профили (рис. 23, а) делят на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и т. д.).

Листовой металл из стали и цветных металлов используют в различных от­раслях промышленности. В связи с этим листовую сталь, например, делят на автотракторную, трансфор­маторную, кровельную жесть и т. д. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым, алю­миниевым и пластмассовым покрыти­ями. Кроме того, листовую сталь делят на толстолистовую (толщиной 4-160 мм) и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы делят на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы используют в на­иболее ответственных случаях в тру­бопроводах, работающих под внутрен­ним давлением, в агрессивных средах.

Периодические профили имеют пе­риодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки (рис. 23, б); их приме­няют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как за­готовку под окончательную механи­ческую обработку.

Рис. 23 Примеры сортовых и периодических профилей

 

Для изготовления машиностроитель­ных профилей применяют прокатку, прессование, волочение. По­этому кроме группирования по приве­денным геометрическим признакам профили разделяют и по способу их изготовления.

Производство прокатанных профилей

 

Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. При прокатке ме­талл пластически деформируется вра­щающимися валками. Взаимное рас­положение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различ­ными. Кроме наиболее распространен­ного вида прокатки - продольной (рис. 3.4,6) выделяют еще два ви­да - поперечную и поперечно-винтовую.

При поперечной прокатке (рис. 24, а) валки 1, вращаясь в одном направле­нии, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 24,б) валки 1 расположены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и по­ступательное движение.

Рис. 24 Схемы поперечной (а) и поперечно-винтовой (б) прокатки: 1-валки: 2-заготовка; 3-оправка

 

При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка – об­разование отверстия в слитке или круг­лой заготовке. Эту операцию выпол­няют в горячем состоянии на прошив­ных станах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под небольшим углом (5-15°) друг к другу (см. рис. 24, б). Оба валка 1 вращаются в одном на­правлении, т. е. в данном случае ис­пользуется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому рас­положению валков заготовка 2 получа­ет одновременно вращательное и по­ступательное движение. При этом в металле возникают радиальные рас­тягивающие напряжения, которые вы­зывают течение металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю полость, и облегчают про­шивку отверстия оправкой 3, устанав­ливаемой на пути движения заготовки.

Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространенном методе трубу про­катывают на короткой оправке 2 в так называемом автоматическом двухвал­ковом стане (рис. 25). Валки 1 образу­ют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закрепленной на длинном стержне оправкой 2 и ручьями валков определяет тол­щину стенки трубы.

 

Рис. 25 Схема прокатки труб на автома­тическом стане

Сварные трубы изготовляют из плос­кой заготовки - ленты (называемой штрипсом) или из листов, ширина которых соответствует длине (или по­ловине длины) окружности трубы. Про­цесс изготовления сварной трубы вклю­чает следующие основные операции: гибку плоской заготовки в трубу, свар­ку кромок, уменьшение (редуцирование) диаметра полученной трубы.

При получении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам.

Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станах попе­речно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, но и за­готовки шаров, роликов подшипников качения (рис. 26). Валки 2 и 4 враща­ются в одну сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 7 при про­катке получает вращательное и посту­пательное движение; от вылета из вал­ков она предохраняется центрирующи­ми упорами 3.

Рис. 26 Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки

Производство прессованных профилей

При прессовании металл выдавлива­ется из замкнутой полости через от­верстие, соответствующее сечению прессуемого профиля.Этим процессом изготовляют не только сплошные профили, но и полые (рис. 27). В этом случае в заготовке необходимо предварительно получить сквозное отверстие. Часто отверстие прошивают на том же прессе. В процес­се прессования при движении пуансона 1 с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавливается в зазор между мат­рицей 3 и иглой 4. Прессование по рассмотренным схемам называется пря­мым. Значительно реже применяют об­ратное прессование, схема деформиро­вания которого аналогична схеме об­ратного выдавливания (см. рис. 27, а).

 

Рис. 27 Схема прессования полого профи­ля (а) и примеры профилей, полученных прессованием (б)

К недостаткам прессования следует отнести большие отходы металла: весь металл не может быть выдавлен из контейнера, и в нем остается так называемый пресс-остаток, который по­сле окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс-остатка может достигать 40% массы исходной заготовки (при прессовании труб большого диаметра).

Волочение машиностроительных профилей

Волочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения внешнего диаметра) и с оправкой (для уменьше­ния внешнего диаметра и толщины стенки). На рис. 28, апоказана схема волочения трубы 7 на короткой удер­живаемой оправке 3. В этом случае профиль полученной трубы определя­ется зазором между волокой 2 и оправ­кой 3.

Поскольку тянущая сила, приложен­ная к заготовке, необходима не только для деформирования металла, но и для преодоления сил трения металла об инструмент, эти силы трения стараются уменьшить применением смазки и по­лированием отверстия в волоке.

Рис. 28 Схема волочения трубы (а) и при­меры профилей, полученных волочением (б)

Получение поковок машиностроительных деталей

Виды поковок

Поковкой называют заготовку дета­ли, полученную обработкой металлов давлением. Огромное разнообразие ма­шиностроительных деталей и соответ­ственно такое же разнообразие форм и размеров поковок обусловливает существо­вание различных способов изготовления поковок.

Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим техно­логию их изготовления. Такими призна­ками являются масса, конфигурация, марка сплава и тип производства.

Изготовление поковок может осуще­ствляться по схемам свободного пла­стического течения между поверхностя­ми инструмента или затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно превышающее давление при свободном пластическом течении металла. Вследствие этого поковки боль­шой массы затруднительно изготовлять штамповкой. Для тяжелых поковок еди­нственно возможным способом изготовления является ковка — вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные бойки, а также раз­личный подкладной инструмент. Таким образом, при ковке используют уни­версальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент — штамп, из­готовление которого при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Поэтому в единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически более целесообразна. Чем больше партия одинаковых поковок, тем более специализирован­ным может быть технологический процесс их изготовления, так как применение более сложного, а значит более дорогого, инструмента и специального оборудования экономически оправдано.

Рис. 29 Виды машиностроительных поковок

Упрощенно поковки можно раз­делить на такие группы:

осесимметричные типа дисков и колес (рис. 29, 1, а); втулок и колец (рис. 29, 1, б); осесимметричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных (рис. 29, 2); осесимметричные типа ва­лов и осей (рис. 29, 3), длина которых вдоль оси больше поперечных разме­ров; неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков (рис. 29, 4} с меньшим или большим соотношением габарит­ных размеров; к этой многочисленной группе относятся поковки гаечных клю­чей, шатунов, звеньев гусениц тракто­ров, лопаток турбин, крюков грузопо­дъемных механизмов, коленчатых ва­лов и др.

Кроме такого разделения поковок по типу деталей при технологических рас­четах по конфигурации поковки делят на группы сложности. Критерием слож­ности поковки может быть отношение объемов поковки и описанной вокруг нее простой геометрической фигуры – призмы или цилиндра.

Ковка

Процесс ковки состоит из чередова­ния в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется харак­тером деформирования и применяемым инструментом.

К основным операциям ковки относят­ся осадка, протяжка, прошивка, отруб­ка, гибка.

Осадка - операция уменьшения вы­соты заготовки при увеличении пло­щади ее поперечного сечения (см. рис. 30, а). Осаживают заготовки меж­ду бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осажи­вают лишь на части длины заготовки.

Протяжка - операция удлинения заготовки или ее части за счет умень­шения площади поперечного сечения (рис. 30, а).

Рис. 30 Схемы протяжки и ее разновидностей

 

Протяжку производят по­следовательными ударами или нажати­ями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с по­дачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг этой оси. При слиш­ком малой подаче могут получиться зажимы (рис. 30, б).

Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытесне­ния металла (рис. 31, а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).

Отрубка - операция отделения ча­сти заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку дефор­мирующего инструмента - топора (рис. 31, г).

Гибка - операция придания заго­товке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 31,е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п.

Рис. 31 Схемы операции ковки: а— двусторонняя прошивка; б— сквозная прошивка; в— прошивни; г— отрубка; д— топоры; е— гибка ж— штамповка в подкладных штампах

Оборудование для ковки выбирают в зависимости от режима ковки дан­ного металла или сплава, массы поков­ки и ее конфигурации. Необходимую мощность оборудования обычно определяют по приближенным формулам или справочным таблицам.

Ковку выполняют на ковочных моло­тах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты — машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысяч­ные доли секунды. Металл деформиру­ется за счет энергии, накопленной по­движными (падающими) частями мо­лота к моменту их соударения с за­готовкой. Поэтому при выборе моло­тов руководствуются массой их падающих частей. -

Гидравлические прессы — машины ста­тического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением силы, со­здаваемой с помощью жидкости (вод­ной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса.

Технологические требования к дета­лям, получаемым из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны быть наиболее про­стыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями (рис. 32, 1-4). В поковках следует избегать конических (рис. 32, 5) и клиновых (рис. 3.22, 6) форм. Необходимо учиты­вать трудности выполнения ковкой участков пересечений цилиндрических по­верхностей между собой (рис. 32, 7) и с призматическими поверхностями (рис. 32, 8). В поковках следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п., учитывая, что эти элементы в большинстве случаев из­готовить ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится при­бегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Кроме того, следу­ет стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.

Рис. 32 Правильные и нежелательные формы поковок