24. Технологические процессы заготовительного производства

Производство заготовок методами давления

1. Основы обработки металлов давлением

2. Основной задачей обработки металлов давлением является придание заготовке требуемой формы путем пластической деформации. Этот процесс отличается значительной экономичностью, высоким коэффициентом использования металла и большой производительностью. Он успешно соперничает с литейным производством и уступает ему только по сложности конфигурации получаемых деталей и иногда по стоимости производства. Механические свойства обрабатываемых давлением деталей (ударная вязкость, усталостная прочность и др.) после соответствующей термической обработки выше, чем у литых деталей Обработку металлов давлением в отдельных случаях успешно используют вместо обработки резанием. Например, зубофрезерование заменяют зубонакатыванием, шлифование - обкаткой роликом, токарные операции - штамповкой, выдавливанием и т.д..

Давлением обрабатывают примерно 80…90 % всей выплавляемой стали, а также большое количество цветных металлов и сплавов.

Обработку давлением производят в горячем и холодном состоянии. При горячей обработке чистые металлы нагревают до температуры 0,4 Тпл., а сплавы (0,5…0,8)Тпл. Это приводит к уменьшению сопротивления пластической деформации металла в 10…20 раз. Холодную обработку давлением проводят при более низких температурах.

Основными требованиями при нагреве металла являются:

равномерный прогрев по сечению и длине заготовки;

оптимальное время нагрева, обеспечивающее достаточно высокую производительность и отсутствие дефектов в заготовках;

наименьшая потеря металла на угар;

экономичный расход топлива.

Неправильный режим нагрева удорожает процесс и приводит к различным дефектам: трещинам, обезуглероживанию, повышенному окислению, перегреву и пережогу.

Нагрев металла при горячей обработке давлением производят в нагревательных колодцах, электрических и газовых печах, токами высокой и промышленной частоты.

При холодной обработке давлением одновременно с изменением формы заготовки меняются свойства металла: прочность, твердость и упругость увеличиваются, а вязкость, пластичность, стойкость против коррозии и электропроводность понижаются. Изменение свойств вызвано изменением структуры металла: зерна металла измельчаются и вытягиваются в направлении течения металла. Такое состояние металла называют наклепом, при этом повышается твердость и прочность материала, ухудшается его обрабатываемость. Для снятия наклепа и улучшения обрабатываемости металла применяют полный отжиг.

К основным видам обработки металлов давлением относятся: прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка и некоторые отделочные и упрочняющие виды обработки давлением, например, обкатка роликом, зубонакатывание и т.д. (рис.6)

Прокату, волочение и прессование обычно производят на металлургических заводах, а остальные способы обработки давлением на машиностроительных заводах.

В условиях отсутствия рудных залежей в Республике одной из главных задач является усиление режима экономии металлов, ускоренный переход к ресурсосберегающим и безотходным технологиям. Решение этих задач будет в значительной мере способствовать увеличению выпуска заготовок, полученных давлением, появление новых процессов обработки металлов давлением, приближающих конфигурацию заготовок к конфигурации деталей. Все это позволит значительно повысить эффективность машиностроения.

Прокатка – процесс обжатия металла между вращающимися валками прокатных станов (рис.6а). При обжатии толщина заготовки уменьшается, а длина соответственно увеличивается. Сталь прокатывается в основном в горячем состоянии. Листы толщиной менее 2 мм из низкоуглеродистой стали прокатывают в холодном состоянии.

Достоинствами процесса является: высокая производительность, повышение прочности прокатываемого материала, относительно высокий коэффициент использования металла. К недостаткам относятся: получение профилей относительно простой конфигурации, дорогостоящее оборудование, сложность создания прокатного производства.

Стальной прокат делится на следующие основные группы: сортовой, листовой, трубный, специальный и периодический.

Сортовой прокат по назначению можно разделить на профили общего назначения и специального назначения. К профилям общего назначения относятся: круг, квадрат, шестигранник, полоса, уголок, швеллер, двутавр, рельсы и т.д.

Профили специального назначения применяются в сельхозмашиностроении, автотракторостроении, вагоностроении, судостроении, строительстве т.д. Их форма максимально приближена к форме детали.

Листовой прокат делится на толстолистовой с толщиной листа более 4 мм и тонколистовой – менее 4 мм.

Трубный стальной прокат делится на бесшовные трубы с наружным диаметром от 5 до 426 мм (толщина стенок 0,5…40 мм) и трубы сварные с наружным диаметром до 1420 мм при толщине стенок до 14 мм.

Специальный стальной прокат представляет собой продукцию законченной формы, например, венцы зубчатых колес, железнодорожные колеса, шарики для шарикоподшипников и т.д.

Периодический прокат – это прокат, поперечное сечение которого по длине периодически меняется, например, заготовка вагонной оси, полуоси автомобиля, шатуна автомобиля и т.д. Этот вид проката широко используется в виде фасонной заготовки при штамповке или под окончательную механическую обработку.

Прессование – это процесс выдавливания горячего металла, заключенного в замкнутую полость, через отверстие (рис.6б). Исходным материалом для прессования служат слитки или заготовки. Прессование применяют для получения прутков, труб и изделий сложных профилей из цветных металлов и сплавов. Применяют два метода прессования – прямой и обратный (металл течет навстречу направления движения пуансона).

Достоинства прессования:

более высокая точность изготовления профилей по сравнению с прокаткой;

возможность избежать малопроизводительных отделочных операций;

высокая производительность;

возможность получения сложных профилей.

Недостатки прессования: значительный износ инструмента, большой отход металла (пресс-остаток).

Волочением называют протягивание заготовок через постепенно сужающееся отверстие волоки (рис.6в)

При волочении поперечное сечение заготовки уменьшается, а ее длина соответственно увеличивается. Волочение производят преимущественно в холодном состоянии и получают профили весьма точных размеров и формы, как правило, с гладкой блестящей поверхностью.

Волочением изготавливают тонкую проволоку (диаметром 4 – 0,01 мм), тонкостенные трубы, калиброванные прутки и мелкие фасонные профили из стали, цветных металлов сплавов.

Технологический процесс волочения состоит из термообработки заготовок (обычно отжиг), травление заготовок для удаления окалины, нанесение смазки для уменьшения усилий протягивания и термообработки после окончательного волочения.

Волочильный инструмент изготавливают из чугуна, инструментальной стали, твердых сплавов, а для получения проволоки диаметром менее 1,2 мм применяют волоки из естественного алмаза.

Ковка – это процесс пластической деформации металла между двумя плоскими бойками (рис. 6г). Поковки не имеют точных размеров и малой шероховатости поверхности. Однако машинная ковка является единственным способом изготовления тяжелых поковок весом до 300 и более тонн. Свободной ковкой изготавливают валы, шестерни, шатуны и др. изделия. Заготовки перед ковкой нагревают в зависимости от марки стали до температуры 1100…1200 С. Заканчивают ковку при температурах не ниже 800…900 С.

Штамповка заключается в деформировании металла в штампах, внутренняя полость которых определяет форму и размеры заготовки (рис.6д). В отличие от ковки штамповка обеспечивает более высокую точность изготовления и чистоту поверхности заготовок, высокую производительность и возможность получения заготовок сложной формы.

Различают горячую и холодную штамповку. Горячей объемной штамповкой изготавливают коленчатые валы, шестерни, шатуны и др. Холодной объемной штамповкой изготавливают заклепки, винты, болты, гайки. Холодной листовой штамповкой (рис. 6е) изготавливают топливные баки, крылья, детали кабин, кузовов и т.д. Горячая листовая штамповка производится, как правило, из полосы или листа толщиной более 5 мм. Технологический процесс изготовления поковок горячей штамповкой обычно включает следующие операции: отрезка и нагрев заготовок, штамповка, обрезка облоя, термообработка и очистка окалины.

Штамповку осуществляют на молотах, кривошипных, гидравлических прессах, горизонтально-ковочных машинах и т.д.