умк_кириенко_1

Рис. 7.3. Технологический процесс специальных способов литья:

а– последовательность получения отливки под давлением на поршневой машине;

б– процесс центробежного литья

Цeнтробежный способ литья (см. рис. 7.3, б) применяется глав-

ным образом для получения полых отливок типа тел вращения (поршневых колец, труб, гильз) из цветных и железоуглеродистых сплавов, а также биметаллов. Сущность способа состоит в заливке жидкого металла во вращающуюся металлическую или керамическую форму. Жидкий металл за счет центробежных сил отбрасывается к стенкам формы, растекается вдоль них и затвердевает.

Центробежное литье высокопроизводительно (за один час можно отлить 40 – 50 чугунных труб диаметром 200 – 300 мм), дает возможность получать полые отливки без применения стержней и металлические отливки последовательной заливкой двух сплавов (например, стали и бронзы).

Как и при кокильном литье, металлические формы перед заливкой жидкого металла подогреваются и на них наносятся защитные покрытия. После заливки формы иногда охлаждают водным раствором для увеличения производительности машин и предохранения их от перегрева.

Наряду с высокой производительностью и простотой процесса центробежный способ литья по сравнению с литьем в стационарные песчаноглинистые и металлические формы обеспечивает более высокое качество отливок, почти устраняет расход металла на прибыли и выпоры, увеличивает выход годного литья на 20 – 60 %.

101

К недостаткам способа следует отнести высокую стоимость форм и оборудования и ограниченность номенклатуры отливок.

Литье по выплавляемым моделям состоит в следующем. Металл заливают в разовую тонкостенную керамическую форму, изготовленную по моделям из легкоплавящегося модельного состава. Этим способом получают точные, практически не требующие механической обработки отливки из любых сплавов массой от нескольких граммов до 100 кг.

Точность размеров и чистота поверхности получаемых отливок таковы, что позволяют сократить объем механической обработки или отказаться от нее, что особенно важно при изготовлении деталей из труднообрабатываемых сплавов.

Технология производства отливок по выполняемым моделям включает следующие этапы: изготовление пресс-форм для моделей; получение восковых моделей запрессовкой модельного состава в пресс-формы; сборка блока моделей на общий питатель (в случае мелких отливок); нанесение огнеупорного покрытия на поверхность единичной модели или блока; вытапливание моделей из огнеупорных (керамических) оболочек-форм; прокаливание форм; заливка металла в горячие формы.

Литьем по выплавляемым моделям получают разнообразные сложные отливки для автотракторостроения, приборостроения, для изготовления деталей самолетов, лопаток турбин, режущих и измерительных инструментов.

Стоимость 1 т отливок, получаемых по выплавляемым моделям, выше, чем изготовляемых другими способами, и зависит от многих факторов (серийности выпуска деталей, уровня механизации и автоматизации литейных процессов и процессов механической обработки отливок).

В большинстве случаев снижение трудоемкости механической обработки, расхода металла и металлорежущего инструмента при применении точных отливок взамен поковок или отливок, полученных другими способами, дает значительный экономический эффект. Наибольший эффект достигается при переводе на литье по выплавляемым моделям деталей, в структуре себестоимости которых большую долю составляют затраты на металл и фрезерную обработку, особенно при применении труднообрабатываемых конструкционных и инструментальных материалов.

Отливки, изготовленные в оболочковых формах, отличаются большой точностью и чистотой поверхности, что позволяет на 20 – 40 % снизить массу отливок и на 40 – 60 % трудоемкость их механической обработки. По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы трудоемкость изготовления отливок снижается в несколько раз. Этим способом получают ответственные детали машин – коленчатые и кулачковые валы, шатуны, ребристые цилиндры и т.п. Процессы изготовления оболочек легко поддаются автоматизации.

102

7.6.Технологическая сущность обработки металлов давлением

7.6.1.Понятие об упругой и пластической деформации металлов. Способы обработки металлов давлением

Под «обработкой металлов давлением» в технологии машино-

строения понимают различные технологические процессы получения заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий из черных и цветных металлов путем деформирования в холодном или горячем состоянии.

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую

(обратимую) и пластическую (необратимую).

Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т.е. тело восстанавливает свою первоначальную форму.

Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузки, т.е. тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры. Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояния, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, так как все процессы обработки металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок.

Пластичность – способность твердого тела сохранять целостность без видимых (макроскопических) нарушений в процессе деформирования. Она зависит от химического состава, строения кристаллической решетки металла, температуры, скорости деформации и ряда других факторов.

Приближенно пластичность может быть оценена относительным удлинением и относительным сужением образцов при испытании на растяжение. При пластической деформации изменяется не только форма, но и существенно изменяются свойства деформируемого металла. В реальном поликристаллическом металле происходит изменение формы зерен (кристаллитов), их механических, магнитных и электрических свойств, а также дробление отдельных зерен. В общем случае анизотропия свойств металла отрицательно сказывается при последующей его обработке и эксплуатации изделий. Общее изменение механических и физико-химических свойств металла при пластической деформации принято называть упрочнением наклепом. Явление упрочнения проявляется в том, что по мере перемещения инструмента относительно деформируемой заготовки и увеличения степени деформации сопротивление металла деформированию повышается. При упрочнении снижается пластичность, ударная вязкость, увеличива-

103

ется предел текучести и твердость, что может повлечь за собой развитие микро- и макротрещин в деформируемом металле.

Степень упрочнения металла зависит от многих факторов, важнейшие из которых: исходные свойства металла, температура, степень и скорость деформации. Чем выше степень деформации и ниже температура процесса, тем больше упрочнение.

Степень деформации (важнейший фактор, определяющий производительность процессов обработки металлов давлением) – абсолютное или относительное изменение размеров заготовки при деформировании. Так, при прокатке степень деформации характеризуется линейным (абсолютным) обжатием, т.е. разностью высот полосы до и после обжатия. Относительное обжатие – отношение абсолютного обжатия к первоначальной высоте полосы, выраженное в процентах.

Для восстановления пластичности холоднодеформированного упрочненного металла его подвергают рекристаллизационному отжигу. Процесс рекристаллизации протекает с определенной скоростью, зависящей от температуры и степени предшествующей деформации: чем выше температура и степень деформации, тем больше скорость рекристаллизации. Для каждого металла экспериментально устанавливается связь между размером зерна, степенью деформации и температурой рекристаллизации в виде диаграмм, которые используются также при назначении термомеханических режимов горячей обработки давлением.

Горячая обработка металлов давлением обычно производится при температурах, значительно превышающих температуру их рекристаллизации, когда скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, обычно превышает скорость процесса упрочнения. Зерна в металле получаются тем мельче, чем больше степень деформации.

Перед горячей обработкой давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой) металлы и сплавы нагревают до определенной температуры (начала горячей обработки давлением) для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформированию. Однако в процессе обработки температура металла понижается. Минимальная температура, при которой можно производить обработку, называется температурой окончания обработки давлением. Область температур между началом и окончанием обработки, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наименьшей склонностью к росту зерна и минимальным сопротивлением деформированию, называют температурным интервалом горячей обработки давлением.

104

Оптимальный режим нагрева металла характеризуется быстрым равномерным его прогревом до температуры, обеспечивающей высокую пластичность металла, с наименьшими затратами энергии и потерями на окалину. При неправильно назначенном режиме нагрева (по температуре, времени выдержки, скорости нагрева) имеют место большие потери металла на окалину (до 4 – 5 %), обезуглероживание поверхностных слоев, перегрев, ведущий к образованию крупнозернистой структуры, а также неисправимый брак – пережог и горячие трещины в заготовках. При пережоге происходит окисление металла на границах зерен, металл становится хрупким и при ударе разрушается. Горячие трещины образуются, когда скорость нагрева слишком велика и создается большой перепад температур поверхности и сердцевины заготовки.

При недостаточном нагреве повышается сопротивление металла деформации, ухудшается его обрабатываемость давлением, а иногда этот процесс становится невозможным вследствие повышения хрупкости металла. Для стали наиболее опасным с точки зрения повышения хрупкости (синеломкости) является интервал температур 300 – 500 °С. Правильный выбор температуры начала и конца горячей обработки давлением имеет исключительно важное технико-экономическое значение.

Нагрев заготовок перед обработкой давлением может осуществляться в различных печах и нагревательных устройствах. Нагревательные печи делятся на пламенные, в которых теплота образуется при сжигании топлива (твердого, жидкого или газообразного), и электрические. Выбор способа нагрева заготовок определяется технико-экономическими соображениями.

Нагрев крупных заготовок чаще всего осуществляется в пламенных печах. Средние и мелкие заготовки можно нагревать как в пламенных, так

ив электрических печах и устройствах.

Косновным способам обработки металлов давлением относятся процессы прокатки (рис. 7.4, а), волочения (см. рис. 7.4, б), прессования (см. рис. 7.4, в), свободной ковки (см. рис. 7.4, г), горячей и холодной объемной штамповки (см. рис. 7.4, д), а также листовой или холодной штамповки (см. рис. 7.4, е).

Большинство процессов обработки давлением отличаются высокой производительностью при небольших отходах металлов, сопутствующих улучшению механических свойств.

Высокая производительность процессов обработки металлов давлением обеспечивается за счет одновременного или последовательного деформирования всего или значительной части объема обрабатываемого металла при высоких скоростях машин-орудий и простоте рабочих и вспомогательных движений.

105

Рис. 7.4. Схемы обработки металлов давлением:

а– прокатка; б – волочение; в – прессование; г – свободная ковка;

д– горячая и холодная объемная штамповка; е – листовая или холодная штамповка

Сущность процесса прокатки (см. рис. 7.4, а) заключается в де-

формировании (обжатии) металла между вращающимися валками, зазор между которыми меньше толщины обжимаемой заготовки. В результате обжатия толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличиваются (см. рис. 7.4, а). Обычно относительное обжатие заготовки за один проход не превышает даже для горячего металла 70 – 80 %, поэтому окончательный профиль продукта получается многократным повторением процесса обработки заготовки при постепенном уменьшении зазора между валками. При каждом пропуске заготовки площадь ее поперечного сечения уменьшается, а форма и размеры постепенно приближаются к требуемым.

Современный прокатный стан (рис. 7.5) – сложное оборудование,

оснащенное всевозможными механизмами и приборами, которые позволяют полностью механизировать, а в ряде случаев и автоматизировать процесс прокатки.

Рабочая машина состоит из одной или нескольких рабочих клетей, в которых расположены прокатные валки 5. Валки бывают гладкие для прокатки листов и лент и сортовые для прокатки различных профилей (круглых, квадратных, угловых, рельсов и т.п.).

106

Рис. 7.5. Схема устройства прокатного стана:

1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – шестеренная клеть; 4 – передаточные механизмы; 5 – рабочие валки

Для передачи движения от электродвигателя 1 к рабочим валкам 5 стана служит шестеренная клеть 3. Между шестеренной клетью и электродвигателем помещается обычно редуктор 2, служащий для изменения частоты вращения рабочих валков. К прокатному стану относятся также вспомогательные машины, выполняющие подсобные операции по резке, правке, отделке и транспортировке готовой продукции. Прокатные станы классифицируются по трем основным признакам: назначению (характеру выпускаемой продукции), числу и расположению рабочих валков и направлению их движения, числу и расположению рабочих клетей.

Технологический процесс современного прокатного производства, независимо от вида получаемой продукции, состоит из нескольких этапов: заготовки исходного материала, нагрева его (в случае горячей прокатки), прокатки и отделки. Кроме того, на всех стадиях прокатки осуществляется контроль хода процесса и состояния оборудования.

Первичными заготовками в прокатном производстве являются слитки различного сечения и массы. Перед прокаткой слитки проверяют для обнаружения трещин, шлаковых включений, которые удаляют зачисткой, заваркой. Затем слитки нагревают до температуры прокатки в нагревательных колодцах. Из слитков на обжимных станах получают полуфабрикат: блюмы, слябы и заготовки круглого сечения диаметром до 200 мм, которые после раскатки на требуемый размер разрезаются на заготовки определенной длины и подаются на заготовочный стан для дальнейшей обработки. Обычно обжимные и заготовочные станы располагаются близко друг к другу, что дает возможность вести прокатку с однократным нагревом металла. На заготовочных станах продукция первичной прокатки подвергается обжатию для получения заготовки меньшего сечения и большей длины, служащей полуфабрикатом для станов окончательной прокатки (листовых, сортопрокатных и т.п.).

107

Перед окончательной прокаткой заготовку разрезают на мерные части, устраняют поверхностные дефекты (закаты, трещины) и вновь нагревают в методических или индукционных печах.

На станах окончательной прокатки получают либо законченные изделия (рельсы), либо изделия и материалы, нуждающиеся в последующей обработке (балки, трубы, периодический прокат, листовой и прутковый материал). Вся продукция прокатного производства подвергается отделочным операциям (разрезанию, правке), удаляются поверхностные дефекты. Затем производится контроль качества и маркировка продукции. Иногда при ее окончательной отделке ведут термическую обработку (отжиг или нормализацию) и травление для обеспечения заданных механических свойств материала и качества поверхности.

7.6.2. Основные виды проката

Продукция прокатного производства называется прокатом. Он различается по размерам и форме сечения – профилю.

Из слитков массой до 25 т на обжимных прокатных станах получают заготовки квадратного профиля – блюмы, используемые для изготовления сортового проката, и слябы – заготовки прямоугольного профиля, из которых получают лист и полосы.

Совокупность профилей с различными формой и размерами сечений называется сортаментом проката: сортовой прокат, листовой прокат, трубы, периодический прокат и специальный прокат (в том числе гнутые профили).

Сортовой прокат разделяется на простой и фасонный (сложного профиля). К простому прокату относят профили с простой геометрической формой сечения – круг, квадрат, шестигранник, овал и т.д. (рис. 7.6, а).

Ксортовому прокату фасонного профиля относится угловая сталь,

швеллер, двутавр, тавр, рельс, зетовая, колонная и ромбовидная сталь (см.

рис. 7.6, б).

Кспециальным видам проката относят продукцию законченной формы, изготовленную по заказам отдельных министерств (см. рис. 7.6, в). Такой продукцией могут быть накладки 24 и подкладки 25 для рельсов, обод автомобильного колеса 29, бортовое кольцо 34, башмак гусеницы трактора 31 и т.д.

Прокат периодического профиля (см. рис. 7.6, г) представляет собой полосу или пруток, поперечное сечение которых изменяется по длине проката, воспроизводя форму будущей детали. Этот вид проката может с успехом применяться в качестве фасонных заготовок в кузнечном производстве

изаготовок под окончательную механическую обработку. При этом значительно снижаются объем работ и отходы металла в стружку.

108

Рис. 7.6. Сортамент проката:

а– простой сортовой прокат; б – фасонный сортовой прокат;

в– специальные виды проката; г – прокат периодического профиля

Листовой прокат разделяют на толстолистовой, тонколистовой и фольгу. К толстолистовому прокату относится броневая, котельная, резервуарная сталь; к тонколистовому – кровельная, трансформаторная, электротехническая сталь, жесть и др.

В последнее время большое развитие получило производство гнутых профилей из холодно- и горячекатаных полос и лент. Гнутые профили сложной конфигурации применяются в автотракторной, авиационной промышленности и в строительстве. Они изготовляются на специальных ро- лико-гибочных машинах и поставляются в виде отдельных заготовок или бухт ленты определенного профиля. Сортамент гнутых профилей превышает 400 разновидностей.

7.6.3. Особенности производства листового и трубного проката

Листовой прокат по способу производства делят на горяче- и хо-

лоднокатаный. Горячекатаную толстолистовую сталь получают из слябов, прокатанных в многоклетеных листопрокатных станах. Готовый прокат проходит правку, обрезку на заданные размеры, очистку и термообработку. Горячекатаный тонкий лист (толщиной менее 4 мм) получают

109

из сутунки – заготовки прямоугольного сечения толщиной 6 – 12 мм, из слябов на станах полунепрерывной и непрерывной прокатки. Тонкая лента на выходе из последней клети стана непрерывной прокатки скатывается в рулоны. Рулонный метод прокатки обеспечивает повышение выхода годной продукции, производительности процесса и механических свойств металла. Лист в рулонах либо поступает на дальнейшую обработку в цех холодной прокатки, либо подвергается отделочным операциям.

Холодной прокаткой получают только тонкую листовую сталь и стальную ленту с высоким качеством поверхности и точностью по толщине. Прокатку ведут листовым или рулонным способом на четырехвалковых многоклетевых станах. Применение смазки валков способствует их охлаждению и получению высококачественной поверхности изделий.

Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки – ленты (рис. 7.7, а), получаемой из штрипсов – листов, ширина которых соответствует длине окружности трубы. Нагретый до высокой температуры (1300 – 1350 °С) штрипс протягивают через воронку, в которой он сворачивается в трубу 3

иодновременно под давлением сваривается встык. После этого сварная труба поступает на стан горячей калибровки для доведения до точного диаметра. Из штрипсов изготовляют сравнительно короткие трубы диаметром до 400 мм. Трубы большого диаметра до 1500 мм с толщиной стенки до 12 мм получают из свернутой по спирали полосы с последующей дуговой сваркой спирального шва под слоем флюса.

Бесшовные трубы изготовляют из сплошной заготовки. Технологический процесс производства бесшовных труб делится на два основных этапа: получение пустотелой гильзы из слитка или круглого проката (см. рис. 7.7, б) и готовой трубы из гильзы (см. рис. 7.7, в).

Заготовку 1 (см. рис. 7.7, б) перемещают между валками 2 и 4, оси которых пересекаются в пространстве. Навстречу заготовке движется оправка 5, прошивающая гильзу 3. Благодаря расположению валков под углом по отношению к заготовке она одновременно совершает вращательное

ипоступательное движения. Конусные валки при вращении заготовки разрыхляют ее сердцевину, а оправка образует полость, расширяет и выглаживает ее. Необходимый внутренний диаметр трубы обеспечивается оправкой, а наружный ее диаметр – соответствующей настройкой валков 2 переменного сечения (см. рис. 7.7, в).

Использование полых трубных заготовок, полученных методом непрерывного литья, позволяет устранить наиболее трудоемкую операцию – прошивку заготовки – и обеспечивает экономию до 50 кг металла на 1 т труб.

После раскатки трубы обрабатываются на специальной машине для устранения овальности и разностенности и затем калибруются на окончательный размер. Отделочные операции при производстве труб могут включать отжиг для получения заданной структуры металла, правку, отрезание концов трубы, зачистку заусенцев, смазку и др.

110