Характер деформации при прессовании

Процесс деформации металла при прямом прессовании состоит из двух стадий. В начальный момент заготовка имеет меньший диаметр, чем контейнер, деформируется между матрицей и пресс-шайбой, заполняя все зазоры и полость матрицы. Основная стадия процесса начинается истечением металла из канала матрицы и заканчивается при некотором зазоре между пресс-шайбой и матрицей. Невыпрессованная часть металла в контейнере (пресс-остаток) отделяется пилой от готового прутка и убирается из контейнера.

При прессовании деформация протекает крайне неравномерно, различаясь в различных точках сечения в сотни раз; нет другого технологического процесса, в котором бы при такой неравномерности деформаций металл не будет разрушаться; схема трехстороннего сжатия предотвращает образование трещин.

В углах вблизи матриц металл практически не деформируется – там образуются мертвые зоны.

Чем больше вытяжка =F₀/F₁, тем больше протяженность этих зон сокращается; чем меньше угол наклона матрицы, тем меньше величина мертвых зон, при углах, меньших 60они практически исчезают, однако матрицы с малыми углами применяются редко. Мертвые объемы задерживают выход на поверхность пресс-изделия окалины и дефектов с поверхности слитка и обеспечивают высокое качество поверхности изделия.наиболее распространены плоские матрицы с= 90.

Объем и конфигурация мертвых зон зависят от температурных условий. Чем больше разница температур между металлом и контейнером, тем выше неравномерность деформации и больше протяженность мертвых зон; при горячем прессовании контейнер поворачивают, чтобы уменьшить этот эффект. Смазка контейнера и матрицы уменьшает мертвые зоны, но ухудшает качество прутков. Так, для алюминия широко применяют прессование без смазки. Низкие температуры опасны с позиции качества пресс-изделия.

Мертвые объемы деформируются в основном упруго; центральные слои металла деформируются слабо; металл быстроис большой скоростью устремляется в канал матрицы (если прессуется слиток, то недостаточная проработка сердцевины может отрицательно сказаться на пресс-изделии). В этом состоит один из недостатков прямого метода прессования.

Наибольшую деформацию испытывают промежуточные слои. Эти слои соприкасаются с одной стороны с почти неподвижными приконтактными слоями, а с другой –с быстро движущимися центральными слоями. Вследствие этого промежуточные слои значительно вытягиваются, иногда в сотни раз. Если металл имеет низкое сопротивление деформации, то сначала центральные, а затем прилегающие к ним слои легко текут, пластическая деформация быстро охватывает весь объем металла. Слои начинают перемещаться, образуя картину турбулентного течения.

При этом задолго до конца прессования металл центральных слоев «расходуется» и отстает от пресс-шайбы. Это явление называется утяжкой. При дальнейшем прессовании пресс-утяжка попадает в канал матрицы, образуя полость по оси готового изделия. Во избежание этого необходимо вести процесс с большим пресс-остатком. Труднодеформируемые стали текут более равномерно, чем легкопрессуемые. Течение металла для них ближе к ламинарному, пластическая деформация сосредоточена вблизи матрицы, пресс-утяжка минимальна или не образуется вовсе.

Большая неравномерность деформации особенно опасна для малопластичных материалов. Она вызывает сильные взаимодействия между сильнодеформированными и слабодеформированными объемами, создавая дополнительные, взаимоуравновешенные напряжения внутри металла. Эти напряжения не столь опасны внутри контейнера, когда металл сжимается по трем осям, но на выходе из канала матрицы дополнительные растягивающие напряжения способны образовать наружные трещины (такие трещины наблюдаются при прессовании дюралюминия). Трещины могут появляться за счет интенсивного тепловыделения в сильнодеформируемых областях металла, если происходят фазовые превращения или оплавление металла и за счет этого местное снижение пластичности.

С целью улучшения условий деформации металла полезно вести процесс прессования при низких температурах (насколько позволяет мощность пресса). Сопротивление деформации при этом возрастает, но равномерность истечения увеличивается.

Неравномерность деформации и величину пресс-утяжки значительно снижает смазка контейнера, а также уменьшение шероховатости поверхностей контейнера и матрицы. Отрицательное влияние на характер течения металла по поверхности пресс-шайбы оказывает ее качественная торцевая поверхность – улучшаются условия течения центральной зоны и пресс-утяжка увеличивается. Торцевую поверхность пресс-шайбы необходимо делать рифленой с загрубленной поверхностью.

Наибольшая равномерность деформации металла достигается при гидропрессовании, когда пресс-штемпель отсутствует и на заготовку воздействует жидкость высокого давления. При истечении металла рабочая жидкость, опережая металл, тонким слоем вытекает вместе с изделием, обеспечивая режим гидродинамического трения.

Так как жидкость течет быстрее металла, то силы трения направлены в сторону его движения и не тормозят, как при механическом прессовании, а способствуют процессу. Гидравлическое прессование применяют при прессовании очень хрупких металлов, а также при прессовании биметаллических прутков из специальных заготовок.

При производстве прутков из сплавов, особенно склонных к образованию пресс-утяжек (латуни, бронзы и т.д.), применяют прессование с рубашкой. Рубашка образуется при срезании пресс-шайбой поверхностного слоя слитка. Она сдерживает скольжение металла по торцевой поверхности пресс-шайбы, тем самым резко снижая склонность к пресс-утяжке. При прессовании с рубашкой верхние дефектные слои не попадают в канал матрицы, поэтому качество получаемых изделий выше. Недостатки прессования с рубашкой – высокая стоимость, затрудненное извлечение рубашки и пресс-остатка.

Одним из эффективных методов борьбы с неравномерностью деформаций является прессование через многоканальные матрицы.

Плоская матрица с несколькими каналами применяется прежде всего при прессовании мелких прутков (диаметром 15-40 мм) для увеличения производительности. При выборе этого процесса улучшаются условия истечения металла: деформация внутри контейнера выравнивается, сосредотачиваясь вблизи зон истечения, а пресс-утяжка разбивается на отдельные участки, глубина которых меньше, чем при течении через один канал. Однако общие скоростные закономерности истечения металла из контейнера сохраняются, т.е через центральные каналы металл вытекает быстрее, чем через периферийные, поэтому длина центральных прутков будет больше периферийных.

При течении через один канал различные элементы профиля (особенно несимметричного) вытекают с разной скоростью и взаимодействуя между собой, искривляют или скручивают и разрушают профиль. Многие профили нельзя выпрессовывать прямыми через однократную матрицу. Если же в матрице имеются дополнительные каналы, отводящие избыток металла из быстротекущих зон, то можно значительно выравнять скорости деформации элементов фасонного профиля, что позволяет исключить вышеуказанные негативные проявления или хотя бы значительно их уменьшить.

Весьма эффективным средством борьбы с неравномерностью деформации является обратное прессование металла.

Пластическая деформация сосредоточена в непосредственной близости к матрице. Центральные слои вступают в пластическую деформацию на более поздней стадии, чем при прямом прессовании. При обратном прессовании пресс-утяжка образуется гораздо позже, чем при прямом. Мертвые зоны имеются, но их величина значительно меньше, поэтому большее количество дефектов заготовки с поверхности попадает в прессованное изделие. Чтобы получить качественное изделие, необходимо слиток обдирать, что удорожает продукцию.

Усилие прессования является основной технологической характеристикой процесса прессования, определяющей возможности оборудования и самого процесса.

В общем случае усилие прессования уравновешивает следующие силы:

,

где T_кр– силы трения на поверхности контейнера и оправки;Т_м– трение в конусной части матрицы;Т_н– трение в калибрующей части матрицы;Т_ш– трение на контакте металла и пресс-шайбы;R– силы сопротивления пластической деформации;Q– силы противодавления или натяжения.