4.5 Обработка давлением

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработкой металлов давлением называют процессы изменения формы и размеров заготовок под воздействием внешних сил, вызывающих пластическую деформацию.

Процессы обработки давлением очень разнообразны. Обычно их объединяют в шесть видов:

- прокатка, прессование и волочение – для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине;

- ковка, объемная штамповка и листовая штамповка – для получения деталей или заготовок, имеющих форму, приближенную к форме готовых деталей.

Изучая виды обработки давлением, необходимо особое внимание уделить технологическим возможностям и областям их применения. Пластическим деформированием получают изделия с высокой производительностью, малыми отходами, возможностью повышения механических свойств металла.

2. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Многие металлы можно пластически деформировать в холодном и горячем состоянии.

После холодной пластической деформации (ниже температуры рекристаллизации) структура металла становится волокнистой. Это сопровождается изменением его физико-механических свойств: увеличением прочности и снижением пластичности.

Такое явление называют упрочнением или наклепом.

При горячей пластической деформации (выше температуры рекристаллизации) происходит разупрочнение металла или рекристаллизация, а также повышается плотность металла, завариваются усадочные и газовые раковины.

Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации, схемы напряженного состояния и схемы деформации.

3. НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕД ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ

С нагревом металла пластичность увеличивается, а сопротивление деформации уменьшается.

Допустимая наивысшая (конечная) температура нагрева стальных заготовок зависит в основном от их химического состава и в первую очередь от содержания углерода. Конечная температура нагрева стали обычно ниже температуры расплавления не менее чем на 120...180 °С.

а

б

Рисунок 1 - Изделия, полученные различными процессами ОМД: а – постоянного профиля (прокат); б – изделия листовой штамповки

Рисунок 2 - Схемы изменения микроструктуры металла при деформации: а – холодной; б – горячей

Превышение конечной температуры нагрева и длительная выдержка при ней приводит к пережогу стали, когда нарушается связь между зернами вследствие оплавления и окисления границ зерен. Это неисправимый брак. Если сталь нагрета несколько ниже температуры пережога, она будет крупнозернистой (перегретой), пластичность снижена и при деформировании возможно образование трещин.

Перегрев можно устранить отжигом (дополнительным нагревом с длительной выдержкой в печи).

Снижение температуры нагрева ниже допустимой нижней границы приводит к возрастанию сопротивления металла деформированию, результатом чего является появление внутренних напряжений или даже трещин в металле, а также повышенный износ инструмента.

Температурный интервал ковки и штамповки

4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Сначала рассмотрим методы холодной деформации, к которым относятся листовая штамповка и волочение, а затем – горячей: ковку, прокатку, прессование и объемную штамповку.

4.1. Листовая штамповка

При штамповке пластическое течение металла ограничивается полостью или кромкой специального инструмента – штампа, который формирует необходимую конфигурацию изделия. Неподвижную часть штампа называют матрицей, а основную подвижную часть – пуансоном.

Пуансон жестко закреплен на ходовой части пресса, передающего заготовке усилие деформации. По принципу работы прессы бывают гидравлические или механические (кривошипные).

Заготовкой служит лист, полоса или лента толщиной не более 10 мм из материалов с высокой пластичностью: низкоуглеродистых сталей, меди, латуни. алюминия и его сплавов, сплавов на основе магния, титана, никеля.

Листовая штамповка включает множество разновидностей (операций), которые принято делить на две группы: разделительные (отрезка, вырубка, пробивка и др.) и формообразующие (гибка, вытяжка, отбортовка и др.)

Рисунок 3 - Некоторые формообразующие операции листовой штамповки:

а – гибка (готовое изделие); б – вытяжка; в – отбортовка; г – обжим

В процессе формообразующих операций листовой штамповки металл, как правило, сильно деформируется. В местах локальных неоднородных деформаций появляются внутренние напряжения, которые при эксплуатации изделия могут вызвать образование трещин. Во избежание этого разработка проекта штампа каждого изделия всегда сопровождается расчетами на прочность. Рассчитываются величины предельных нагрузок, внутренних напряжений, допустимые радиусы кривизны и т.д., а основным исходным параметром является толщина заготовки.

4.2. Волочение

Волочением называется процесс протягивания обрабатываемой заготовки через постепенно сужающееся отверстие инструмента (фильеры, волоки). Площадь поперечного сечения заготовки при волочении уменьшается, приобретая постоянное сечение по всей длине.

Заготовкой для операции волочения служат прутки, проволока или трубы, а готовой продукцией – проволока, калиброванные трубы или фасонные профили (шпонки, шлицы, ножи, направляющие и т.п.).

Основные достоинства волочения  высокая размерная точность (калибровка), низкая шероховатость поверхности и упрочнение металла, являющиеся характерными особенностями холодной деформации.

Рисунок 4 - Гибочный штамп: пуансон (слева), матрица (справа) на плите основания, направляющие в центре

Рисунок 5 - Схема операции волочения:

1 – заготовка; 2 – инструмент (фильера, волока)

4.3. Ковка

Ковка ведется в режиме динамического (ударного) или статического (медленного) воздействия на металл, нагретый выше температуры рекристаллизации. В первом случае деформирующее усилие выполняется ковочным молотом, во втором – гидравлическим прессом.

При ковке горячее деформирование металла производят последовательно на разных участках заготовки с помощью универсального подкладного инструмента или бойков. В качестве исходной заготовки при ковке используют для мелких и средних по массе поковок сортовой прокат, для крупных поковок – слитки. Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности кузнечных операций.

Рисунок 6 - Устройство и принцип работы паро-воздушного ковочного молота

Основные операции, которые используются для ковки валов, фланцев и шестерен:

а) протяжка – операция удлинения заготовки за счет уменьшения поперечного сечения;

б) осадка – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении поперечного сечения, выполняется бойками или осадочными плитами;

в) пробивка и прошивка – операция получения отверстия в заготовке;

г) высадка – увеличение поперечного сечения части заготовки;

д) рубка – операция отделения части заготовки.

4.4. Прокатка

Прокатка – это процесс обжатия металла между вращающимися валками прокатного стана. Давление на металл создается вследствие того, что расстояние между валками меньше, чем толщина обрабатываемого металла.

Движение при прокатке происходит благодаря трению между поверхностями валков и заготовки. Рабочие валки прокатного стана – это цилиндры, изготовленные из легированной стали или чугуна.

Рисунок 7 - Основные виды ковки: осадка (а), высадка (б), протяжка (в) и протяжка вдоль оси (з), разгонка (г), рубка (д), прошивка (е), разгонка (ж), передача (и).

Рисунок 8 - Схема прокатки заготовки в двух плоскостях (две пары взаимно перпендикулярных валков)

Валки бывают гладкими или калиброванными. На калиброванных валках выточены канавки, называемые ручьями. Последний ручей имеет форму готового изделия. Исходной заготовкой при прокатке являются слитки.

Рисунок 9 - Схемы прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно-винтовая (изготовление бесшовной трубы); 1 – валки; 2 – заготовка; 3 - прошивка

Продукция прокатного стана: листовой прокат; сортовой прокат с простой и сложной (фасонной) формой профиля; трубы бесшовные; специальный прокат, поперечное сечение которого по длине периодически меняется.

Прокат используют в качестве заготовок при ковке и штамповке.

4.5. Горячая объемная штамповка

При объемной штамповке пластическое течение металла ограничивается полостью штампа, который служит для получения поковки определенной конфигурации. Также, как и при листовой штамповке, штамп состоит из двух половин: верхней подвижной (пуансона) и нижней неподвижной (матрицы).

Различают открытые и закрытые штампы.

Для штамповки в открытых штампах характерно образование облоя в зазоре между частями штампа. Облой при деформировании затрудняет выход из полости штампа основной массы металла. Возникающие напряжения способствуют растеканию металла и заполнению глубоких полостей и углов. После штамповки облой обрезают или обламывают.

Способ штамповки в закрытых штампах прогрессивен и экономичен, так как нет расхода металла на облой и не требуется оборудование для его обрезки. В то же время он требует заготовок высокой точности, так как объем заготовки должен быть равен объему поковки.

Рисунок 10 - Типы штампов: а) открытый штамп; б) закрытый штамп 1 – матрица (неподвижна); 2 – пуансон (подвижный); 3 – поковка; 4 – облойная канавка; 5 – выталкиватель

Горячая объемная штамповка осуществляется на молотах, механических и гидравлических прессах, горизонтально-ковочных машинах. Штамповка на каждой из этих машин имеет свои особенности, преимущества и недостатки, которые нужно учитывать при выборе оборудования.

Разработка процесса объемной штамповки, также как при ковке, начинается с проектирования чертежа поковки по чертежу готовой детали с учетом вида оборудования, на котором будет производиться штамповка.

Большое значение имеет правильный выбор расположения плоскости разъема штампов.

4.6. Прессование

Прессование представляет собой процесс выдавливания сильно нагретого металла через окно инструмента-матрицы (фильеры) заданного профиля. Осуществляется на горизонтальных или вертикальных гидравлических прессах.

В качестве заготовок используются слитки или прокат, площадь сечения которых при прессовании уменьшается в 10…50 раз.

Рисунок 11 - Схема операции прессования: 1 – заготовка; 2 – камера прессования; 3 – поршень; 4 – шток; 5 –профильное окно матрицы (фильера)

По сравнению с прокаткой преимуществами прессования являются бóльшая размерная точность и возможность получения профиля более сложной формы сечения, а недостатками – высокий процент отходов металла (до 40%) и более интенсивный износ инструмента.

5. ВЫПОЛНЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ

После инструктажа по технике безопасности студенты под руководством преподавателя или лаборанта знакомятся с устройством и работой гидравлического пресса и гибочного штампа, имеющимися в лаборатории; вырезают листовые заготовки в соответствии с чертежом; выполняют операции гибки на прессе; оформляют отчет о выполненной работе с эскизным изображением полученного изделия.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется обработкой металла давлением?

2. Какими свойствами отличаются холодно- и горячедеформированный металл?

3. В чем опасности нарушения интервала температур нагрева при ОМД?

4. Назовите основные виды ОМД. Какие из них относятся к холодной, а какие к горячей деформации?

5. В чем разница между понятиями инструмент и оборудование для ОМД?

6. Из каких частей состоит штамп?

7. Назовите операции листовой штамповки.

8. Какие изделия получают волочением?

9. Опишите основные операции ковки.

10. Что такое прокатка?

11. Чем отличается объемная штамповка в открытых и закрытых штампах?

12. В чем разница между волочением и прессованием?

4.6 Литейное производство

1 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Сущность процессов литья металлов и задача литейного производства

Литейное производство - отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок.

Литье — наиболее простой и дешевый способ формообразования заготовок. При всем разнообразии приемов литья, сложившихся за длительный период развития его технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чем 70 веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.

Можно получать отливки различной массы (от нескольких граммов до сотен тонн), простой и сложной формы из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т.д. Особенно эффективно применение отливок для литья фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно или экономически нецелесообразно изготавливать другими методами обработки металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для литья изделий из малопластичных металлов и сплавов. Отливки широко применяют во всех отраслях машиностроении, металлургии, строительстве.

Основной задачей литейного производства является изготовление из литейных сплавов отливок, имеющих разнообразную конфигурацию с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам детали (при литье невозможно получить отливку, форма и размеры которой соответствует форме и размерам детали).

Основным инструментом литейного производства является литейная форма.

Литейная форма – система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом и после охлаждения получают отливку.

По степени использования литейные формы делят на: разовые, полупостоянные и постоянные.

Разовые формы служат для изготовления только одной отливки и изготовляют их из кварцевого песка, зерна которого соединены каким-либо связующим веществом.

Полупостоянные формы - это формы, в которых получают несколько отливок (до 10-20), такие формы изготовляют из специального гипса (гипсо-динас), керамики.

Постоянные формы - формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Такие формы изготовляют обычно из чугуна или стали.

Первые формы для литья делали из камня или глины. С конца XVIII в. литейные формы начали изготавливать из специально приготовленной смеси песка и глины. Прогрессивные способы получения отливок в формах, изготовленных из специальных смесей, например, самотвердеющих жидких, пластичных, имеют существенные технико-экономические преимущества по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы.

Литейную форму заливают расплавом через литниковую систему (рисунок 1).

Литниковой системой называют совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из ковша в полость формы. Литниковая система должна обеспечить непрерывное поступление расплава в форму, питание отливки для компенсации усадки, предотвращать разрушение формы, попадание шлака и воздуха со струей расплава. Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели. Чаша уменьшает размывающее действие струи расплава, задерживает всплывающий шлак.

Рисунок 1 – Литейная форма с элементами литниковой системы: 1 – литниковая чаша; 2 – стояк; 3 - шлакоуловитель; 4 – питатели; 5,6 – чаша и стояк выпоров (прибылей); 7 –– фильтр из спец. стеклоткани

Для лучшего задержания шлака в литниковой системе, площадь стояка должна быть больше площадки шлакоуловителя и больше площади питания:

Различные по форме, размерам и точности отливки из различных сплавов невозможно наиболее экономично получить одним и тем же способом. Экономически целесообразно изготовлять отливку с определенными качественными свойствами каким-либо одним или двумя способами. В настоящее время в литейном производстве

используют более 15 способов литья, основными считаются:

1) литье в песчано-глинистые формы ("в землю");

2) литье в ЖСС (жидкие самоотвердевающие смеси);

3) литье в оболочковые формы;

4) литье в кокиль (металлические защищенные формы);

5) литье по выплавляемым моделям;

6) литье под давлением;

7) центробежное литье;

Для получения жидкого металла в литейных цехах и участках используют различные плавильные агрегаты (вагранки, печи сопротивления, индукционные, дуговые, газопламенные печи).

Для изготовления отливок применяют большое число различных приспособлений, называемых литейной оснасткой. В комплект технологической оснастки для изготовления форм из формовочных смесей входят модели, модельные плиты, стержневые ящики и др.

Конфигурация отливок может быть любой, она определяется возможностью изготовления технологической оснастки – формы, литейными свойствами сплавов, способом литья. Выбор способа литья в зависимости от конфигурации отливки основывается чаще всего на экономических соображениях, реже из условия высокой производительности и др.

1.2 Основные этапы производства отливок

Последовательность производства фасонных отливок рассмотрим на примере литья в гипсовую и металлическую формы.

Технологический процесс производства отливок в разовые формы (песчано–глинистые, гипсо-динасовые, оболочковые) включает:

изготовление модели;

формовку, т.е. изготовление полуформ и стержней;

сборку литейной формы с установкой питателей литниковой чаши и выпоров;

заливку расплавом;

обрубку – отделение литниково-питающей системы и очистку поверхности отливок (дробеструйная обработка, крацевание).

Технологический процесс производства отливок в полупостоянные и постоянные формы (гипсовые (шамотные), кокили, формы для литья под давлением) включает:

изготовление литейной формы из металлических (гипсовых, шамотных) материалов;

сборку литейной формы;

заливку расплавом;

отделение литниково-питающей системы и механическая обработка поверхности отливок.

1.3 Основные свойства литейных сплавов и влияние их на качество отливок

Конструируя литую деталь, необходимо учитывать литейные свойства заливаемого сплава. К основным свойствам литейных сплавов относят следующие:

Жидкотекучесть – способность расплава заполнять литейную форму; определяет выбор оптимальной толщины стенки детали. Чем больше жидкотекучесть, тем тоньше может быть получаемая стенка. В то же время жидкотекучесть зависит от условий теплоотдачи в форме. В водоохлаждаемых стальных формах жидкотекучесть сплава падает очень быстро.

Кристаллизация сплава происходит в направлении, перпендикулярном поверхности теплоотдачи. Скорость кристаллизации меняется от максимальной у поверхности до минимальной в центре стенки отливки. Одновременно происходит рост кристаллов-зерен. Для создания равномерной и мелкозернистой структуры желательно уменьшать толщину отливок.

Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшаться в объеме при охлаждении. Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки, на величину линейной усадки сплава, которая для углеродистой стали составляет 1,8-2% для стали, а для чугуна 0,8-1,2%. Если отливки подвергают механической обработке, то в соответствующих размерах модели учитывают размер припусков – слоя металла. удаляемого при механической обработке. Формы и стержни не должны препятствовать усадке металла. Линейная усадка вызывает образование трещин и коробление вследствие торможения усадки в отдельных местах отливки. Объемная усадка приводит к образованию усадочной пористости в утолщенных местах отливок. При наличии препятствий для усадки возникают напряжения, возможно коробление отливки и образование трещин – для этого необходимы литейные уклоны, размер которых зависит от высоты изделия и составляет 1 – 8 мм, или 0,5- 3°.

Перечисленные свойства сплавов определяют разностенность, радиусы закруглений, плавные переходы, уклоны, отверстия и армирование.

2. ВЫПОЛНЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ

Тигель из огнеупорного материалы наполняется цинковым (оловянным) ломом, скрапом, и помещается в электропечь, нагретую выше 419ºС (~450-490ºС)-для цинка и выше 232ºС (~250-290ºС)- для олова. Добившись полного расплавления цинка (олова), с помощью специальных металлических щипцов производится заливка расплава в металлическую (кокиль) и гипсовую формы. (Гипсовую форму перед заливкой смазывают 3%-ным спиртовым раствором поливинилбутераля - огнеупорной краской). При охлаждении отливки до комнатной температуры полученная отливка извлекается из формы.

Основные требования к заливке форм:

Жидкий металл следует заливать в полость форм по возможности быстро и аккуратно, но непрерывно;

В период заливки литейная форма должна быть сухая!!!, наличие влаги повлечет выплеск металла;

В период заливки литниковая система должна быть заполнена жидким металлом;

Выпор для сообщения полость формы с атмосферой должен быть таким, чтобы в полость формы постоянно поддерживалось атмосферное давление;

Струя жидкого металла не должна ударять в стенки формы;

В отливку не должен попадать шлак и песок.

При большой скорости заливки металла происходит захватывание окалины, шлака и газа. Удары струи жидкого металла в стенки формы могут привести к разрушению формы.

2.2 Контроль качества отливок и виды брака.

При визуальном контроле качества отливки могут быть выявлены следующие виды брака:

Увеличение шероховатости поверхности;

Нарушение геометрии (симметрии) отливки;

Газовые раковин и пузыри.

Горячие трещины, раковины (засоры).

Особенности полученной отливки заносятся в протокол.

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Цель работы.

Краткое описание сущности процессов литья металлов.

Краткое описание видов литейных форм и технологической оснастки.

Краткое описание технологии заливки расплава

Схемы литейных форм в сборе.

Схемы полученных отливок с указанием особенностей их качества.

Вывод по работе.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Дайте определение литейного производства металлических заготовок?

Что называется литейной формой, какое деление существует их по степени использования?

Чем отличаются разовые литейные формы от постоянных?

Что называется литниковой системой и для каких целей она служит?

Проведите сравнительный анализ литейной оснастки для литья в разовые и постоянные формы.

Какими основными свойствами должны обладать литейные сплавы?

Как влияет скорость охлаждения на формирование структуры литой заготовки?

Оцените факторы, влияющие на дефекты отливок?

Что такое жидкотекучесть и как она влияет на качество отливок?

Какие меры необходимо предпринять для предотвращения усадочных раковин и пористости?