ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В

МОСКОВСКИЙ
АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ
ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Л. П. МАСЛАКОВА, Д. С. ФАТЮХИН
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ В АВТОТРАКТОРОСТРОЕНИИ
МОСКВА 2003
УДК 621.73:[629.33+629.3.014.2].002,2
ББК 34.62:[39.33+39.34] –6*3,1
Маслакова Л. П., Фатюхин Д. С. Применение обработки металлов давлением в автотракторостроении: Учебное пособие /
МАДИ (ГТУ). – М., 2003. – 105 с.
Рецензенты: проф., д-р хим. наук Д. П. Шашков,
доц., канд. техн. наук Г. А. Борисенко
Учебное пособие содержит основные сведения по теории обработки металлов давлением, способам нагрева перед обработкой
давлением, а также описание основных технологических процессов
получения машиностроительных профилей и фасонных заготовок.
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов механических специальностей, изучающих дисциплину “Технология
конструкционных материалов”.
© Московский автомобильнодорожный институт (государственный технический университет), 2003
МОСКОВСКИЙ
АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Утверждаю
Зав. кафедрой технологии конструкционных материалов
проф. В. М. Приходько
_______________________________.
Л. П. МАСЛАКОВА, Д. С. ФАТЮХИН
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В
АВТОТРАКТОРОСТРОЕНИИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
МОСКВА 2003
2
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
I. ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
Обработка металлов давлением заключается в пластическом
изменении формы и размеров изделия посредством деформирования.
Обработка давлением позволяет получать детали и заготовки для них
с большой производительностью и малыми отходами. В некоторых
случаях обработка давлением является единственным способом производства изделий. Например, производство тонкой проволоки методом волочения, тонкостенных труб из цветных металлов методом
прессования и др.
Указанные преимущества определяют широкое использование
способов обработки давлением в промышленности. В автомобиле- и
тракторостроении широко применяется продукция прокатного производства: лист, трубы, сортовой прокат. Методом объемной штамповки
получают заготовки для самых ответственных деталей (коленчатые
валы, крестовины кардана, шатуны и т.д.). Листовая штамповка используется при изготовлении кузовов легковых автомобилей, кабин
грузовых автомобилей и тракторов, колпаков автомобильных колес и
т.д.
Можно выделить две основные задачи, которые решаются при
пластическом деформировании:
- формообразование;
- улучшение структуры металла с целью повышения его физикомеханических свойств.
Задача формообразования решается различными способами
обработки давлением, к числу которых относятся: прокатка, волоче3
ние, прессование, ковка, объемная горячая штамповка, холодная
листовая штамповка. Принципиальные схемы основных способов обработки давлением представлены на рис. 1.1.
В процессе обработки давлением решается и вторая основная
задача - улучшение структуры металла и повышение его механических характеристик. Так, при нагреве под обработку давлением за счет
протекания диффузионных процессов устраняется химическая неоднородность слитка. При ковке стальных слитков ликвидируется усадочная пористость, происходит заваривание пузырей, трещин, пор. В
результате горячей обработки металл становится более прочным и
пластичным. Холодная обработка давлением приводит к повышению
прочности металла.
а)
б)
в)
P
г)
P
д)
P
P
е)
P
P
Рис. 1.1. Принципиальные схемы основных способов обработки давлением: а - прокатка; б - волочение; в - прессование; г - ковка;
д - объемная штамповка, е – листовая штамповка
4
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
2.1. Механизм пластической деформации металла
Приложение системы внешних или внутренних сил к металлическому телу вызывает в нем изменения размеров (деформацию). Деформация может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, которая исчезает после снятия
нагрузки. При упругой деформации под действием приложенной нагрузки происходит незначительное относительное смещение атомов.
После снятия нагрузки атомы, смещенные на расстояния меньшие параметра решетки, вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в свое первоначальное состояние (рис. 1.2, а, б).
Цель обработки давлением - создание остаточной (пластической) деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки (рис.
1.2,г).
Основным механизмом получения пластической деформации
считается скольжение атомов относительно друг друга в кристаллической решетке, которое может быть вызвано только сдвигом.
Скольжение атомов кристаллической решетки под действием
сдвигающей силы будет совершаться прежде всего в кристаллографических плоскостях с наибольшей упаковкой атомов. При сдвиге
атомов в этих плоскостях требуются меньшие сдвигающие напряжения.
Скольжение осуществляется не путем одновременного перемещения всех атомов, расположенных в плоскости скольжения, а в определенной последовательности. Наиболее логичное и последовательное объяснение механизма пластической деформации дает тео5
рия дислокаций 1, согласно которой скольжение атомов относительно
друг друга рассматривается как результат перемещения дислокаций в
плоскости сдвига.
а)
б)
в)
г)
Рис. 1.2. Принципиальная схема упругой и остаточной деформации
металла: а - первоначальный ненапряженный кристалл; б упругая деформация; в - увеличение упругой и возникновение пластической деформации; г - остаточная деформация
1
Дислокациями называются линейные несовершенства кристаллической решетки,
имеющие малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении.
6
Влияние плотности дислокаций на сопротивление деформированию можно представить графически (рис. 1.3). При низкой плотности
дислокаций имеет место высокое сопротивление деформированию.
Отсутствие дислокаций и других дефектов кристаллической решетки
приближает механические свойства материала к теоретическим свойствам идеального кристалла.
Практически
реализуемая
прочность
Сопротивление сдвигу
Теоретическая
прочность
кр
Плотность дислокаций
Рис. 1.3. Зависимость сопротивления сдвигу от плотности дислокаций
Увеличение плотности дислокаций уменьшает сопротивление
деформированию только до критического значения ρкр. После этого
начинает преобладать взаимодействие однозначных дислокаций, что
увеличивает сопротивление деформированию, т.е. начинает проявляться упрочнение металла (наклеп).
7
2.2. Наклеп и рекристаллизация
Наклепом называют совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений физико-механических свойств под действием пластической деформации.
Формоизменение металла при обработке давлением происходит
путем пластической деформации каждого зерна. При малых степенях
деформации металлографический анализ фиксирует следы скольжения в виде прямых линий, одинаково ориентированных в пределах
одного зерна (рис. 1.4, а).
Рис. 1.4. Изменение структуры при пластической деформации: а – при
малых степенях деформации; б – при больших степенях деформации
При большей деформации в результате протекания процессов
скольжения зерна меняют свою форму и размеры, вытягиваясь в направлении действия сдвигающих усилий и образуя волокнистую или
8
слоистую структуру (рис. 1.4, б). Одновременно с изменением формы
зерна внутри него происходит дробление блоков, увеличение угла
дезориентировки между ними.
При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка зерен металла относительно деформирующих сил называется текстурой деформации.
Наклеп сопровождается изменением физических и механических
свойств металла.
С увеличением степени деформации прочностные характеристики (временное сопротивление σв, предел текучести σт, твердость НВ и
др.) повышаются, а характеристики пластичности металла (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ и др.) снижаются (рис.
1.5).
При наклепе значение предела текучести металла приближается
к его временному сопротивлению, тем самым сильно снижается способность металла к пластической деформации.
Наклеп
характеризуется
изменением
физических
свойств:
уменьшением теплопроводности и электропроводности металла, снижением его антикоррозийной стойкости, повышением электросопротивления.
Часть энергии, затраченная на наклеп металла, аккумулируется
в виде повышенной потенциальной энергии атомов, смещенных из
положения равновесия.
При нормальной комнатной температуре состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго. Переходу атомов в равновесное состояние способствует повышение температуры.
При температурах (0,25 … 0,3)Тпл происходит незначительное
снижение твердости и прочности металла и повышение пластичности.
9
Особых изменений в структуре при этом не наблюдается. Совокуп-
Временное сопротивление в , твердость HB,
относительное удлинение
ность указанных явлений именуется возвратом или отдыхом.
HB
в
0
20
40
60
Степень деформации
%
Рис. 1.5. Изменение механических характеристик стали при пластической деформации
Дальнейшее повышение температуры увеличивает подвижность
атомов. При достижении определенной температуры вместо волокнистой структуры деформированного металла происходит образование
новых равноосных мелких зерен. Это явление называется первичной
рекристаллизацией. Дальнейший нагрев металла приводит к росту
одних рекристаллизованных зерен за счет других. Такой процесс называется собирательной рекристаллизацией.
Температура рекристаллизации не является постоянной физиче10
ской величиной. Для заданного металла или сплава она зависит от
многих факторов: степени предварительной деформации, величины
зерна до деформации, длительности нагрева и т.д. Температурный
порог рекристаллизации тем выше, чем выше степень деформации и
больше длительность нагрева.
Академик А. А. Бочвар установил зависимость абсолютной температуры рекристаллизации металла Трекр от абсолютной температуры плавления его Тпл, выражающейся следующей формулой:
Трекр = α Тпл ,
где α - коэффициент, зависящий от состава и структурного состояния
сплава.
Для технически чистых металлов α = 0,4.
Приведенная формула позволяет определить температуру начала первичной рекристаллизации металла. Практически для снятия
наклепа металл нагревается до более высоких температур. Так, температура рекристаллизации технически чистой меди равна 269°С. Для
снятия наклепа медь нагревают до 500 … 700°С. Такая термическая
обработка получила название рекристаллизационного отжига.
Характер изменения механических свойств наклепанного металла при нагреве показан на рис. 1.6.
В период возврата механические свойства изменяются мало.При
достижении температуры начала рекристаллизации временное сопротивление и предел текучести резко уменьшаются, а пластичность металла увеличивается.
Рекристаллизационный отжиг восстанавливает и физические
свойства материала: повышаются сопротивление коррозии, теплопроводность, электропроводность и т.д.
11
Временное сопротивление в , условный
предел текучести 02 , удлинение
Возврат
Рекристаллизация
в
02
1
2
3
4
Температура, К
Рис. 1.6. Влияние нагрева на механические свойства и структуру наклепанного металла
2.3. Виды деформации при обработке давлением
Академик С. И. Губкин разделяет все виды обработки давлением
не четыре группы:
- горячая обработка, сопровождается полным завершением процесса рекристаллизации;
- неполная горячая обработка, процесс рекристаллизации не успевает произойти полностью, частично сохраняются последствия наклепа;
- неполная холодная обработка, сопровождается процессом от12
дыха (возврата);
- холодная деформация, характеризуется сохранением последствий наклепа.
Характер деформации зависит от соотношения температуры
деформации и температуры рекристаллизации. Условно считают, что
горячая обработка проводится при температурах выше 0,7Тпл, неполная горячая обработка - при (0,5 … 0,7)Тпл, неполная холодная обработка - при (0,3 … 0,5)Тпл, холодная деформация происходит при температурах ниже 0,ЗТпл.
Вид деформации зависит не только от температуры, но и от скорости и степени деформации. Так, при высокой степени и скорости
деформации и температуре значительно ниже 0,3Тпл может произойти
неполная холодная деформация. Частичное разупрочнение металла
происходит из-за тепла, выделяющегося внутри металла по плоскостям скольжения.
Даже при температурах выше 0,7Тпл может иметь место неполная горячая деформация, так как из-за высокой скорости деформации
процессы упрочнения протекают быстрее, чем процессы разупрочнения.
Недопустимо принимать во всех случаях деформацию без нагрева (при комнатной температуре) за холодную.
Так, деформация олова при 25°С не будет сопровождаться наклепом, поскольку температура плавления олова 505 К (232°С). Температура рекристаллизации олова лежит ниже 0°С (-72°С).
2.4. Факторы, влияющие на пластичность металлов
Обработка металлов давлением основана на использовании их
пластических свойств.
13
Пластичностью называется способность металла изменять свою
форму и размеры под действием приложенных внешних сил без разрушения.
Основными факторами, оказывающими влияние на пластичность
и сопротивление металла деформированию, являются химический состав, температура нагрева металла, скорость деформации, схема напряженного состояния и др.
Влияние химического состава
Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы и сплавы, образующие твердые растворы, наихудшими пластическими
свойствами - сплавы, образующие механические смеси и химические
соединения. Техническое железо пластичнее, чем сталь, алюминий
пластичнее дюралюмина и т.д.
Рассмотрим влияние примесей, содержащихся в стали, на ее
пластические свойства.
С увеличением содержания углерода в стали пластичность ее
падает, а сопротивление деформированию растет. Стали, содержащие углерод до 0,5%, обладают хорошей пластичностью и хорошо
поддаются обработке давлением. Обработка сталей, содержащих от
0,5 до 1% углерода, затруднена. С повышением содержания углерода
в стали растут прочность, которая оценивается параметром σв (временное сопротивление), и твердость, например, твердость по Бринеллю (HB). При этом снижается пластичность. Параметры, характеризующие пластичность, падают (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ, ударная вязкость аН).
Влияние содержания углерода на механические свойства стали
показано на рис. 1.7.
14
Временное сопротивление в , твердость HB,
относительное сужение , удлинение ,
ударная вязкость аН
0
HB
в
аН
0,4
0,8
Содержание углерода, %
1,2
Рис. 1.7.Влияние углерода на механические свойства стали
Содержание кремния в углеродистых сталях в пределах 0,17 …
0,35%, а марганца в пределах 0,3 … 0,85% не оказывает заметного
влияния на пластичность стали. Дальнейшее повышение содержания
Si и Mn в стали приводит к снижению ее пластических свойств.
Сера находится в стали в виде химических соединений FeS и
МnS. Она вызывает красноломкость стали. Причина этого - наличие
эвтектики (FeS + Fe) с температурой плавления 1258 К (985°С), располагающейся по границам зерен. К моменту нагрева стали до ковочных температур 1473 К (порядка 1200°С) эвтектика оплавляется и при
горячей обработке в металле возникают трещины. По этой причине
содержание серы в стали не должно превышать 0,03 … 0,05%.
15
Фосфор присутствует в твердом растворе (феррите). Он вызывает хладноломкость стали, поэтому содержание его должно быть не
более 0,03 … 0,05%.
Азот, кислород и водород в стали значительно снижают ее пластичность и повышают порог хладноломкости.
Влияние температуры
Температура оказывает существенное влияние на пластичность
Временное сопротивление
относительное удлинение
в
,
металлов и сплавов. Рассмотрим влияние температуры нагрева на
0
в
200
400 600 800
Температура, О С
Рис. 1.8. Изменение механических свойств углеродистой стали в зависимости от температуры
16
механические свойства стали, содержащей 0,42% углерода (рис. 1.8).
Увеличение температуры примерно до 100°С вызывает некоторое повышение пластичности δ и уменьшение прочности σв стали. При температуре около ЗОО°С наблюдается повышение прочности и снижение пластичности. Предполагается, что это вызвано выделением дисперсных частиц карбидов, нитридов и т. п. по плоскостям скольжения.
Такое явление получило название синеломкости. Дальнейшее повышение температуры приводит к понижению прочности стали. Характеристика пластичности δ в интервале температур 800 … 900°С резко
понижается. Причиной этого считают фазовый наклеп при перекристаллизации. Металлические фазы обладают различной пластичностью, вследствие чего происходит разрушение металла по их границам. Подобная закономерность характерна и для других металлов и
сплавов.
Влияние скорости деформации
Скоростью деформации называется изменение степени деформации в единицу времени. Она выражается формулой
W =
dε
,
dt
где W - скорость деформации, с-1;
ε - степень деформации;
t – время, с.
При постоянной скорости деформации
W=
ε
t
, с-1.
При горячей обработке увеличение скорости деформации понижает пластичность в том случае, если скорость упрочнения металла
17
вследствие его деформирования превышает скорость разупрочнения
вследствие нагрева.
При холодной деформации увеличение скорости деформации
вызывает нагрев металла по плоскостям скольжения. Тепло, аккумулируясь в металле, способствует развитию процессов разупрочнения,
что, в свою очередь, сказывается на повышении пластичности металла.
Скорость деформации связана с понятием скорости деформирования, которым определяется скорость хода инструмента (например,
пресса или молота).
Taк, при осадке скорость деформирования
V =
dh
,
dt
где V - скорость деформирования, м/с;
h - высота изделия, м;
t – время, с.
Отсюда скорость деформации в данный момент будет:
W =
dε dh / h V
=
= .
dt
dt
h
Следовательно, скорость деформации зависит от скорости деформирования и размера тела в направлении деформации.
В зависимости от скорости деформирования все способы обработки давлением делятся на низкоскоростные и высокоскоростные.
При обработке давлением на прессах скорость деформирования
составляет 0,1 … 0,5 м/с. При обработке давлением на молотах скорость деформирования в момент удара достигает 5 … 10 м/с. Указанные способы обработки давлением относятся к низкоскоростным.
При высокоскоростных методах (обработка взрывом, магнитноимпульсная обработка и др.) скорость деформации может достигать
18
200 … 300 м/с.
Влияние схемы напряженного состояния и схемы главных деформаций
Напряженное состояние характеризуется схемой главных напряжений. Понятие "схемы главных напряжений" ввел в теорию обработки металлов давлением академик С. И. Губкин.
В механике сложных тел существует положение, по которому напряженное состояние точки можно охарактеризовать тремя нормальными напряжениями. Максимальное главное напряжение обозначается σ1, минимальное - σ2, среднее - σ3. На схемах главные площадки
изображаются в виде трех взаимно перпендикулярных граней куба, а
напряжения - стрелками, приложенными к центру гpaней. Предполагается, что размеры куба весьма малы, а в центре его объема располагается точка, для которой построена схема.
Известно 9 схем главных напряжений. Металл обладает наибольшей пластичностью, когда он подвергается всестороннему сжатию, и наименьшей пластичностью, когда он в двух плоскостях оказывается сжатым, а в третьей плоскости действуют напряжения растяжения.
Схема напряженного состояния, представленная на рис. 1.9, а,
соответствует процессам прессования, осадки, прокатки листа.
Схема, представленная на рис. 1.9, б, соответствует процессу
волочения.
По аналогии со схемой главных напряжений С. И. Губкин ввел
понятие о схеме деформаций, характеризующей деформированное
состояние материала. Схемой деформации называют графическое
представление о наличии и знаке главных деформаций.
19
а)
б)
Рис. 1.9. Схемы напряженного состояния, соответствующие: а - наибольшей пластичности; б - наименьшей пластичности
Если напряженное состояние характеризуется одной из девяти
схем, то деформированное - одной из трех (рис. 1.10).
DI
D II
D III
Рис. 1.10. Схемы деформации
Совокупность схемы напряженного состояния и схемы деформации С. И. Губкин назвал механической схемой деформации.
Итак, пластичность зависит не только от свойств металла, тем20
пературно - скоростных условий, но и от механической схемы деформации. В таблице 1.1 представлены механические схемы деформации некоторых процессов обработки металлов давлением и приведена качественная оценка пластичности и потребного усилия.
Таблица 1.1
Механические схемы деформации некоторых технологических процессов обработки металлов давлением
Процесс
Схема на-
Схема де-
пряженного
формации
Пластичность
Потребное
усилие
состояния
Прессование
отличная
высокое
Прокатка
хорошая
высокое
удовлетво-
среднее
листа
Осадка
рительная
Волочение
пониженная
низкое
Наилучшей схемой по пластичности является схема всестороннего сжатия с одной деформацией удлинения и двумя деформациями
сжатия. Как видно из таблицы, такая схема соответствует процессу
прессования.
21
При разработке технологии обработки металлов давлением нужно стремиться к созданию условий, обеспечивающих достаточную
пластичность металла при наименьших усилиях.
2.5. Влияние горячей деформации на структуру и свойства
металла
Часто обработке давлением подвергают заготовки, имеющие литую структуру (слитки, литые заготовки). Обычно такие заготовки подвергаются горячей деформации. Литая структура характеризуется наличием в ней крупных кристаллитов первичной кристаллизации, по
границам которых располагаются примеси и неметаллические включения (рис. 1.11, а).
а)
б)
Рис. 1.11. Структура литого металла до и после горячей обработки
давлением: а – литая; б – после горячей обработки давлением
Деформирование литой структуры приводит к дроблению кристаллитов и вытягиванию их в направлении наиболее интенсивного
течения металла. Одновременно с этим происходит вытягивание в
том же направлении неметаллических включений и других примесей.
Образуется так называемая полосчатая макроструктура. Полосча22
тость макроструктуры выявляется при травлении макрошлифов и наблюдается невооруженным глазом (рис. 1.11, б). Возникновение полосчатой макроструктуры приводит к явлению анизотропии. Показатели пластичности вдоль и поперек волокон значительно отличаются,
причем разница в показателях растет с увеличением степени деформации. Прочностные характеристики металла вдоль и поперек волокон отличаются незначительно: увеличение степени деформации почти не сказывается на их величине.
Таким образом, пластическая деформация металла при горячей
обработке приводит к изменению структуры и механических свойств.
Учитывая это явление и управляя им, при обработке металлов давлением можно обеспечивать такие условия деформирования, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными
свойствами.
В связи с анизотропией механических свойств металла после горячей деформации при изготовлении деталей рекомендуется учитывать направление волокон. Волокна должны огибать контур детали и
по возможности не должны перерезаться.
3. ВЕЛИЧИНА ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ
О величине деформации судят по изменению размеров деформированного тела. Существует несколько вариантов характеристик,
основными из которых являются: абсолютные деформации, относительные деформации, а также коэффициенты деформации.
Рассмотрим основные характеристики на простейшем примере
(рис. 1.12). Пусть размеры прямоугольного параллелепипеда до деформации были: ho, bо, lо, а после деформации соответственно h1, b1,
23
l1. Допустим, что в процессе деформации высота бруса уменьшилась,
а длина и ширина увеличились. Тогда абсолютные деформации будут:
обжатие
Δh = h0 − h1 ,
удлинение
Δl = l1 − l0 ,
уширение
Δb = b1 − b0 .
B0
C0
B1
D0
A0
Δh
h0
D1
h1
C1
l0
l1
b0
b1
Рис. 1.12. Схема к определению характеристик величины деформации
Более полно характеризуют величину деформации относительные показатели, так как они учитывают размеры деформированного
тела. Относительную деформацию часто показывают степенью деформации.
Относительные деформации первого вида:
относительное обжатие
ε h = ( h0 − h1 ) / h0 = Δh / h0 ,
относительное уширение
24
ε b = ( b1 − b0 ) / b0 = Δb / b0 ,
относительное удлинение
ε l = ( l1 − l 0 ) / l 0 = Δl / l 0 .
Более правильную картину дают так называемые истинные (логарифмические) относительные деформации. При их определении
весь процесс деформации мысленно разбивают на малые этапы и,
определяя абсолютную деформацию за этап, относят ее к соответствующему размеру. Затем все полученные деформации суммируются.
Истинные относительные деформации представляют логарифм
отношения размеров до и после деформации:
ε hI = ln( h0 / h1 ); ε bI = ln( b0 / b1 ); ε lI = ln( l 0 / l1 ) .
Коэффициентами деформации называют отношения размеров
тела, полученных после деформации, к соответствующим размерам
до деформации.
Для рассматриваемого примера имеем:
коэффициент обжатия
η = h1 / h0 ,
коэффициент удлинения (вытяжка)
μ = l1 / l0 ,
коэффициент уширения
β = b1 / b0 .
4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
В теории пластической деформации принимается ряд условий,
25
которые объединяются под общим понятием законов пластической
деформации. Основными из них являются следующие:
- закон постоянства объема;
- закон сдвигающих напряжений;
- закон наименьшего сопротивления;
- закон подобия.
4.1. Закон постоянства объема
При пластической деформации тело приобретает иную форму за
счет перемещения частиц металла в новое положение их устойчивого
равновесия при постоянстве массы. Однако в отдельных случаях обработки давлением наблюдается изменение плотности металла. Это
относится прежде всего к начальным стадиям деформирования литых
заготовок, когда устраняются неплотности, образовавшиеся в результате несовершенства процесса кристаллизации.
Так, при прокатке слитка кипящей стали на обжимном стане после первых четырех - пяти проходов плотность металла увеличивается от 6900 до 7858 кг/м3. Дальнейшая деформация происходит практически при постоянном объеме, если не принимать во внимание потери на окалину.
При холодной деформации металла вследствие внутризеренного и межзеренного скольжения, а также дробления зерен на части
происходит образование микропустот; при этом плотность металла
может уменьшиться на 0,1 … 0,2%. Однако при последующих процессах рекристаллизации металл приобретает исходную плотность.
Вследствие этого при горячей обработке давлением обеспечивается
постоянство плотности металла.
Снижением объема за счет упругого уменьшения межатомных
26
расстояний можно пренебречь.
Итак, можно считать, что достаточно продеформированный металл характеризуется постоянством объема до и после пластической
деформации.
Это положение лежит в основе закона постоянства объема. Данный закон, а также вытекающие из него следствия имеют важное значение при расчетах технологических операций и анализе процессов
деформации, так как позволяют связать размеры тела до пластической обработки, в момент обработки и после нее.
Рассмотрим это на примере.
Для прямоугольного параллелепипеда, который в процессе деформации сохраняет свою форму и имеет размеры до обработки - ho,
bo, l0, а после обработки – h1, b1, l1, этот закон пишется так:
h0 ⋅ b0 ⋅ l 0 = h1 ⋅ b1 ⋅ l1
или
( h0 / h1 ) ⋅ ( b0 / b1 ) ⋅ ( l 0 / l1 ) = 1 ,
т. е. произведение коэффициентов деформации равно 1.
Логарифмируя полученное уравнение, найдем:
ln(h0 / h1 ) + ln(b0 / b1 ) + ln(l0 / l1 ) = 0
или
ε hI + ε bI + ε lI = 0 ,
т. е. при пластической деформации алгебраическая сумма трех главных деформаций равна 0.
Это есть первое следствие закона постоянства объема, которое
позволяет установить взаимосвязь между тремя главными деформациями.
Итак, одна из трех главных деформаций равна сумме двух дру27
гих и противоположна им по знаку:
ε hI = −(ε bI + ε lI ).
Условие постоянства объема позволяет решать задачи по определению размеров деформированного тела при известных размерах
исходной заготовки или определять размеры заготовки для получения
изделия с заданными размерами. Такие задачи обычно сводятся к определению деформаций в трех направлениях. Если при решении подобных задач две деформации известны, то третья легко находится из
условия постоянства объема.
Особо важное значение закон постоянства объема имеет при
расчете заготовок под штамповку в закрытых штампах. При ведении
расчетов поковок сложной конфигурации последние разбиваются на
отдельные элементы простой геометрической формы.
4.2. Закон сдвигающих напряжений
Основные закономерности деформации зерен изучают на монокристаллах. Чаще деформация кристаллов осуществляется скольжением. При скольжении отдельные части кристалла смещаются одна
относительно другой по взаимно параллельным плоскостям (рис.
1.13).
Такие сдвиги не нарушают целостности кристаллической решетки. Скольжение начинается, когда сдвигающие напряжения в плоскостях сдвига достигнут определенной величины, характерной для данного металла при данной скорости и температуре деформации, не зависящей от схемы приложения сил. Это положение известно как закон
сдвигающих напряжений. На нем основано большинство методов расчета усилия при пластической деформации.
28
P
Θ
ϕ
P
Θ
ϕ
P
P
Рис. 1.13. Схема сдвиговой деформации монокристалла
Сдвиг начинается в плоскости скольжения, где действует наибольшее сдвигающее напряжение. По мере развития деформации
растяжения увеличивается угол Θ между нормалью к плоскости сдвига и направлением деформирующей силы, а угол ϕ между направлением сдвига и направлением деформирующей силы уменьшается.
При деформации сжатия угол Θ уменьшается, а угол ϕ растет. За счет
этого кристалл приобретает предпочтительную ориентировку по направлению к деформирующей силе. Возникает текстура деформации.
4.3. Закон наименьшего сопротивления
Закон наименьшего сопротивления формулируется следующим
образом. В случае возможности перемещения точек деформируемого
тела в различных направлениях каждая точка деформируемого тела
29
перемещается в направлении наименьшего сопротивления.
Рассмотрим течение металла при осадке между параллельными
плитами параллелепипеда (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Схема движения частиц металла при осадке заготовки прямоугольного сечения
С учетом действия контактного трения сопротивление перемещению точек металла, расположенных на контактной поверхности,
будет тем больше, чем дальше удалена точка от границ контактной
поверхности, поэтому движение точек направлено к ближайшей границе, т. е. в направлении наименьшего сопротивления. Аналогичный
характер перемещения частиц наблюдается в глубинных слоях металла, удаленных от контактной поверхности. На рис. 1.14 показана
схема течения металла при осадке прямоугольного параллелепипеда.
Сечение осаждаемого параллелепипеда разделяют на участки биссектрисами углов и линией, соединяющей точки пересечения биссектрис. В каждой зоне течение металла имеет одинаковое направление.
Так как металл по направлению к ближайшей границе течет более интенсивно, то расстояния от центра контактной поверхности до ее гра30
ниц по мере осадки постепенно выравниваются. Отсюда вытекает
правило наименьшего периметра: при осадке с трением поперечное
сечение любой формы стремится принять форму круга, имеющего
наименьший периметр при данной площади сечения.
Закон наименьшего сопротивления позволяет наиболее рационально подбирать форму поперечного сечения заготовок для конкретных случаев пластического деформирования. На основании закона
наименьшего сопротивления (периметра) возможно применение заготовок квадратного сечения при штамповке поковок, имеющих в плане
круглое сечение.
4.5. Закон подобия
При осуществлении в одинаковых условиях одних и тех же процессов пластического деформирования геометрически подобных тел
из одного и того же материала отношение усилий деформирования
равно квадрату, а отношение затрачиваемых работ - кубу отношений
линейных размеров.
В качестве примера рассмотрим два подобных прямоугольных
параллелепипеда со сторонами h, b, l и h1, b1, l1 (рис. 1.15). Соотношение соответствующих сторон
h1 b1 l1
=
= = m,
h
b
l
где m - масштаб моделирования.
Математически закон подобия запишется следующим образом.
Отношение усилий, необходимых для деформирования, будет пропорционально площади поперечного сечения
P1 F1 b1 ⋅ l1
=
=
= m2 ,
P
F
b⋅l
31
а отношение потребных работ будет пропорционально объемам
A1 V1 b1 ⋅ h1 ⋅ l1
=
=
= m3 .
A V
b⋅h⋅l
V1
b1
b
V
h1
h
F
l
l1
F1
Рис. 1.15. Схема к пояснению закона подобия
Закон подобия положен в основу принципа моделирования, который широко используется в практике. Однако вследствие сложности
обеспечения теплового подобия натуры и модели, а также одинаковых
физических свойств и др., точное моделирование осуществить не
удается. Поэтому при расчетах вводят поправочные коэффициенты,
учитывающие масштабные, скоростные и другие факторы.
5. НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПЕРЕД ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ
Haгрев металла перед обработкой давлением производится с
целью повышения его пластичности и уменьшения сопротивления
деформированию. Операция нагрева во многом определяет точность
32
изделий и их качество, а также правильное использование оборудования и инструмента. Нагрев должен обеспечить равномерное распределение температуры по сечению заготовки, не допускать окисления
ее и обезуглероживания. В этом плане приобретает важное значение
интенсификация процесса нагрева, внедрение в промышленность таких прогрессивных способов нагрева, как индукционный и электроконтактный, а также нагрев в защитных атмосферах.
Различают две разновидности нагрева:
- косвенный нагрев, если тепло передается металлу за счет соприкосновения его с какой-либо средой (газовой, твердой или жидкой).
Передача тепла телу происходит здесь за счет конвекции и излучения.
- прямой нагрев имеет место в том случае, когда тепло аккумулируется в самом металле. Например, нагрев изделия за счет
пропускания через него электрического тока.
При разработке технологии нагрева заготовок перед обработкой
давлением решаются следующие задачи:
-
определение температурного интервала обработки;
-
выбор скорости нагрева;
-
определение времени нагрева;
-
выбор нагревательного устройства.
5.1. Температурный интервал обработки металлов давлением
Обработка металла давлением с использованием нагрева проводится в интервале температур (нагрев до определенной температуры и обработка до нижнего температурного предела).
Верхний температурный предел выбирается так, чтобы нагрев
металла не сопровождался отрицательными явлениями (перегрев,
пережог, обезуглероживание, окисление). Температура нижнего пре33
дела должна быть такой, чтобы металл при обработке не получил наклепа. Выбор температур зависит от рода сплава и его химического
состава.
На рис. 1.16 показана температурная область обработки давлением углеродистых сталей. Верхний температурный предел располагается на 100 … 200° С ниже линии солидус AE. Нижний температурный предел для доэвтектоидных сталей определяется как (GS + 50°С).
T(°С)
1500
1300
100
…
200
°С
E
50°C
1100
900
G
700
P
0
0,025
S
0,8
2,14
%,C
Рис. 1.16. Температурная область нагрева под ковку углеродистых
сталей
Для заэвтектоидных углеродистых сталей температурная область обработки давлением располагается между линиями диаграммы
ES и PS.
Нагрев стали до температуры выше верхнего предела сопровождается интенсивным ростом зерна. Это явление называется пере34
гревом. Перегрев может также явиться результатом длительной выдержки металла при более низкой температуре. Он снижает механические свойства стали, особенно ударную вязкость. Исправить перегрев можно последующим отжигом или нормализацией.
При нагреве до температур, значительно превышающих верхний
предел, происходит интенсивное внутреннее окисление металла с образованием эвтектики (Fe + FeО) с температурой плавления 940°С
(1213 К). Такой металл при последующей деформации может разрушиться. Это отрицательное явление называется пережогом. Пережог неисправимый вид брака.
5.2. Скорость и время нагрева
Скорость нагрева металла определяет производительность нагревательного устройства: чем выше скорость нагрева, тем выше производительность нагревательного агрегата. Скорость нагрева металла
влияет на качество изделия. Замедленный нагрев способствует окислению и обезуглероживанию металла. При быстром нагреве вследствие большой разницы температур на поверхности и в сердцевине заготовки могут возникать внутренние напряжения и даже трещины. Существует оптимальная скорость нагрева, при которой обеспечивается
высокое качество изделия при наименьших затратах. Такая скорость
называется допустимой.
Скорость нагрева выражается величиной, показывающей повышение температуры металла в единицу времени (°С/с, °С/мин, °С/ч,
К/с, К/мин, К/ч).
Скорость нагрева зависит от следующих факторов:
- перепада температур по сечению заготовки;
35
- напора печи (температуры рабочего пространства печи);
- формы и размеров поперечного сечения заготовки;
- теплофизических свойств металла;
- способа нагрева.
Перепад температур по сечению заготовки при нагреве меняется
во времени (рис. 1.17). В начальный период нагрева он достигает максимального значения.
С течением времени перепад температур уменьшается, и в определенный период температура выравнивается по всему сечению
заготовки.
Скорость нагрева будет тем больше, чем больше начальный перепад температур по сечению. В каждом отдельном случае необходимо опытное определение допустимого перепада температур по сече-
Температура, К
нию заготовки.
1
2
нагрев
остывание
3
k1
max1
1
Время, с
Рис. 1.17. График нагрева заготовки: 1 - температура поверхности; 2 температура сердцевины; 3 - разность температур между
поверхностью и сердцевиной
Скорость нагрева металла зависит от его теплофизических
свойств: теплопроводности, теплоемкости, плотности, электросопротивления, магнитной проницаемости.
36
При прогреве поверхностных слоев заготовки в них возникают
напряжения сжатия, а в сердцевине соответственно напряжения растяжения. Термические напряжения могут суммироваться с другими
видами напряжений, например структурными. Структурные, или фазовые, напряжения возникают в металле вследствие процессов фазовой
перекристаллизации из-за различия удельных объемов металлических фаз. При нагреве стальных заготовок структурные превращения
происходят при температурах выше 700°С, т.е. когда сталь уже находится в пластическом состоянии и возникающие напряжения гасятся
за счет пластической деформация. При охлаждении заготовки структурные напряжения, суммируясь с термическими, могут превысить
временное сопротивление σв металла, что приведет к образованию
трещины.
Установлено, что при обработке давлением мало- и среднеуглеродистых сталей перепад температур ΔТ в 100° не приводит к образованию больших внутренних напряжений в металле.
Особо опасна высокая скорость нагрева стали в диапазоне температур от 20° до 500 … 700°С, когда металл еще мало пластичен, и
тепловые напряжения могут привести к разрушению металла. Это обстоятельство следует особо учитывать при нагреве заготовок больших
сечений (слитков) из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, обладающих низкой теплопроводностью. Заготовки небольших
сечений (до I00 … I50 мм в диаметре) из любой стали можно нагревать с любой технически возможной скоростью. С увеличением поперечного сечения заготовки скорость нагрева должна уменьшаться.
При электрических способах нагрева количество тепла, выделяющегося в заготовке, зависит от электросопротивления и магнитной
проницаемости материала. Чем большим электросопротивлением обладает металл, тем больше в нем выделяется тепла при нагреве про37
ходящим током.
Время нагрева металла зависит от тех же факторов, что и скорость. Для одной и той же заготовки время нагрева тем меньше, чем
больше перепад температур по сечению. На практике для определения времени нагрева пользуются данными опытов, представленными
в виде различного рода таблиц и графиков. В качестве примера на
рис. 1.18 представлены графики для определения времени нагрева
заготовок до температуры I200°C (1473 К) из углеродистой стали при
различных способах нагрева.
1200
Время, с
1000
800
600
1
5 6
4
400
2
200
3
0
50
100
150
Диаметр заготовки, мм
Рис. 1.18. График времени нагрева заготовок из углеродистых сталей до температуры 1200°C при различных способах нагрева: I - в печи с температурой 1300°C; 2 - в печи с температурой 1500°C; 3 - при электроконтактном способе; 4. 5, 6
- при индуктивном способе (частота тока 8000, 2500, 500
Гц)
38
Продолжительность нагрева в печах заготовок и слитков из углеродистой стали более крупного сечения обычно определяют по эмпирическим формулам типа формулы Доброхотова:
τ = kαD D (ч),
где k - коэффициент, учитывающий теплофизические свойства металла, для углеродистых и низколегированных сталей равный 10,
для высокоуглеродистых и высоколегированных сталей - 20;
D - диаметр или сторона квадрата, м;
α - коэффициент, учитывающий расположение заготовок на поду
печи.
Расположение
заготовок
d
α
d
1
α
1
1
1,4
2
4
0,5d
2d
Расположение
заготовок
0,5d
1,4
d
1,3
2,2
2
2d
1,8
Рис. 1.19. Значение коэффициента α из формулы Доброхотова
Значение коэффициента α приведено на рис. 1.19.
39
5.3. Нагревательные устройства
Нагревательные устройства могут быть классифицированы:
- по источнику энергии (пламенные печи и электрические установки);
- по назначению (кузнечные, прокатные, термические);
-
по принципу действия (камерные и методические).
В свою очередь, пламенные печи подразделяются на:
- печи, отапливаемые твердым, жидким или газообразным топливом;
-
рекуперативные и регенеративные.
На рис. 1.20 приведены схемы основных видов нагревательных
устройств.
В связи с задачей интенсификации процессов нагрева, а также
сокращения угара металла большое внимание уделяется внедрению в
производство высокоскоростных способов нагрева. Одним из прогрессивных способов является индукционный нагрев, который находит
широкое применение на автомобильных заводах нашей страны.
В основе индукционного нагрева лежит явление электромагнитной индукции. Для создания мощного переменного магнитного поля
применяются многовитковые индукторы, выполненные из медной
трубки, охлаждаемые водой. Источником переменного тока может
быть либо промышленная сеть (50 Гц), либо генератор токов высокой
частоты (машинный или ламповый). Стандартные частоты переменного тока в нашей стране – 50, 500, 1000, 2600, 8000Гц.
40
а)
б)
г)
в)
t1
t2
Воздух
д)
е)
ж)
Рис. 1.20. Принципиальные схемы основных видов нагревательных
устройств: а - шахтная нагревательная печь; б - камерная
печь с выдвижным подом; в - методическая печь; г - кузнечный горн; д - камерная электрическая печь; е - установка
индукционного нагрева; ж - установка электроконтактного
нагрева
41
Принципиальная электрическая схема установки индукционного
нагрева представлена на рис. 1.21. Переменный ток от генератора I
подается к индуктору 2, внутри которого располагается заготовка З.
Параллельно катушке индуктора подключается батарея конденсаторов 4, которая, являясь накопителем энергии, повышает низкий коэффициент мощности индуктора. При протекании тока по индуктору в заготовке индуцируются вихревые токи Фуко. Приближенно можно считать, что глубина проникновения электрического тока в заготовку равна:
Y = 5030
ρ
μ ⋅ f , см,
где ρ - удельное электросопротивление металла, Ом⋅см;
μ - магнитная проницаемость, Г/см;
f - частота, Гц.
2
1
3
5
4
Рис. 1.21. Принципиальная электрическая схема индукционного нагрева
Из формулы следует, что с увеличением удельного электросопротивления и уменьшением частоты тока глубина проникновения тока, а следовательно зона нагрева, возрастает.
При выборе частоты тока f используют формулу
fопт =
3400
,
d2
42
где fопт - оптимальная частота, Гц;
d - диаметр заготовки, см.
Индукционные нагреватели, применяющиеся в промышленности, подразделяются на нагреватели периодического и непрерывного действия. Наиболее часто используются нагреватели непрерывного (методического) действия.
На рис. 1.22 изображена кинематическая схема методического
индукционного нагревателя. Реле времени через определенные интервалы, соответствующие необходимому темпу подачи заготовок,
включает электропневматический золотник 3, и сжатый воздух из трубопровода 5 подается в цилиндр 4 пневматического толкателя. При
перемещении поршня толкателя заготовка, лежащая на лотке 2, поступает в индуктор 1. При загрузке в индуктор холодной заготовки заготовка, нагретая до ковочной температуры 6, выталкивается на
транспортер И доставляется к штамповочному агрегату.
Основной частью нагревателя является индуктор. Внутренний
диаметр спирали индуктора выбирается так, чтобы обеспечить максимальный КПД системы “заготовка – индуктор”.
D = (1,5 ÷ 6)d ,
где D - внутренний диаметр индуктора;
d - диаметр заготовки.
Длина спирали индуктора должна быть больше суммарной длины нагреваемых в ней заготовок на один-два диаметра заготовки.
Средние энергетические показатели при индукционном нагреве
углеродистых сталей следующие:
КПД нагревателя -
60 … 65%;
Удельный расход электроэнергии -
0,45 … 0, 5 (кВт.ч)/кг;
Производительность нагревателя -
2000-3000 кг/ч.
43
Рис. 1.22. Кинематическая схема индукционного нагревателя методического действия: 1 – индуктор; 2 – загрузочный
лоток; 3 – электропневматический золотник; 4 – цилиндр пневматического толкателя; 5 – трубопровод; 6 –
нагретая заготовка
Основные преимущества индукционного нагрева: большая скорость нагрева, высокий КПД, малый угар металла (0,4 … 0,6%). К недостаткам данного вида нагрева можно отнести сравнительно высокую стоимость силовой электрической установки, трудность подогрева
заготовок и нагрева заготовок сложной формы.
5.4. Борьба с окислением и обезуглероживанием металла при нагреве. Безокислительный нагрев
В процессе нагрева происходит активное химическое взаимодействие стали с окружающей средой, в результате чего поверхностные слои заготовки окисляются и обезуглероживаются. На поверх44
ности заготовки образуется окалина. При окислении стали окалина
состоит из окислов железа Fe2O3, Fe3O4, FeO. Окислителями стали
при нагреве являются кислород, углекислый газ, сернистый газ, водяной пар. Интенсивное окалинообразование при нагреве стали начинается с 700°С (973 К) и особенно активно возрастает при температурах выше 900°С (1173 К).
Потеря металла в результате его окисления называется угаром. На величину угара оказывают влияние:
- температура нагрева;
- атмосфера рабочего пространства нагревательного устройства;
- продолжительность нагрева;
- химический состав металла;
- форма и размеры заготовки.
Угар причиняет производству огромный ущерб, который заключается в безвозвратной потере металла. Возникает необходимость
увеличения припусков на механическую обработку. Окалина в 1,5 … 2
раза ускоряет износ инструментов (штампов, бойков, прокатных валков и др.). При взаимодействии окалины с подом и футеровкой печей
происходит разрушение последних. Можно считать, что примерно 5%
всей выплавляемой в стране стали теряется на окалину при нагреве в
прокатных, кузнечных и термических цехах.
Обезуглероживание стали заключается в выгорании углерода из
ее поверхностных слоев за счет взаимодействия его с кислородом и
водородом атмосферы. Обезуглероживание приводит к резкому снижению прочности поверхностных слоев металла. Глубина обезуглероженного слоя может достигать 1,5 … 2,0 мм.
Применяемые методы защиты стали от окисления и обезуглероживания при нагреве можно разделить на две группы; к первой группе
относятся методы, способные уменьшить окисление и обезуглерожи45
вание в 1,5 … 2 раза, но не ликвидировать их полностью. Например:
улучшение условий сжигания топлива и эксплуатации печей;
автоматизация и оптимизация режимов нагрева;
ускоренные способы нагрева и др.
Ко второй группе относятся специальные методы, позволяющие
полностью обеспечить защиту поверхности металла от окисления. Такой метод называют безокислительным нагревом. Из применяющихся
методов безокислительного нагрева наибольший практический интерес представляют следующие:
нагрев в продуктах неполного сгорания;
нагрев в расплавленных солях;
нагрев в печах с защитной атмосферой;
нагрев с нанесением защитных покрытий на поверхность заготовки.
Нагрев металла в продуктах неполного сгорания топлива является одним из перспективных методов безокислительного нагрева.
При данном способе нагрева толщина окисленного слоя на поверхности заготовок снижается в 5 … 10 раз. Нагрев заготовок под ковку или
штамповку производится в двухкамерных печах. Сгорание газообразного топлива производится в две стадии. В камере нагрева металла
газ сжигается с коэффициентом избытка воздуха 0,4 … 0,55. Благодаря этому в камере достигается такое соотношение между окислительными и восстановительными составляющими продуктов горения, которое практически исключает возможность окисления металла. Продукты неполного сгорания дожигаются в другой камере. Выделяющееся при этом тепло расходуется на подогрев воздуха в рекуператоре до
800 … 1000°С (I073 … I273 К). При этом способе нагрева величина
угара составляет примерно 0,25 … 0,3%.
Метод нагрева в расплавленных солях применим для нагрева
мелких заготовок под ковку и штамповку. Расплав включает в себя
46
70% хлористого бария BaCl2 и 30% хлористого натрия NaCl. Длительность нагрева в расплавленных солях в два-три раза меньше, чем в
камерной печи.
Нагрев в защитных газах проводят в муфельных печах, которые
заполняют эндогазом (20% - СО, 40% - N2, 40% - H2). Муфельные печи
с защитной атмосферой применяются для нагрева мелких заготовок
под точную штамповку,
Перспективным направлением в борьбе с угаром металла является нанесение защитных покрытий на поверхность заготовок перед
нагревом.
Защитные покрытия должны отвечать целому ряду требований:
- быть доступными и технологичными в приготовлении;
- стойкими к механическим воздействиям;
- сохранять стабильность свойств при высоких температурах;
- равномерно распределяться по поверхности заготовок;
- не оказывать вредного воздействия на металл, инструмент, а
также окружающую среду.
Примером защитных покрытий могут служить окись лития или
расплавленное стекло.
Помимо защиты металла от окисления и обезуглероживания покрытия, обладая высокими теплоизоляционными свойствами, обеспечивают улучшение тепловых условий работы деформирующего инструмента и работают как смазка. Отмечено уменьшение износа ковочных бойков на 30 … 40%. Угар металла при использовании покрытий
уменьшается в три-шесть раз.
Эффективная мера борьбы со снижением прочности металла
вследствие обезуглероживания - дробеструйная обработка поковок. В
результате такой обработки на поверхности изделия образуется наклепанный слой и создается определенный запас прочности.
47
ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ
ПРОФИЛЕЙ
1. ОСНОВЫ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Прокатка является одним из самых древних способов обработки
давлением. Изображение примитивного прокатного стана мы встречаем на рисунках Леонардо да Винчи, датированных 1495 годом.
Сначала прокатное производство играло подсобную роль. Прокатке
подвергались только пластичные металлы. Из олова методом прокатки получали органные трубы, из свинца – оконные переплеты. В
конце XVIII века начали прокатывать железо и малоуглеродистую
сталь. Это была революция в технике. В 1862 году впервые был
применен электродвигатель для привода прокатного стана.
Из всей выпускаемой стали прокатке подвергается примерно
75%. Основными потребителями прокатной промышленности являются:
метизная промышленность – 25%;
машиностроение – 42%,
строительство - 20%;
остальные виды промышленности – 13%.
Существуют три основных вида прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (рис.2.1).
При продольной прокатке деформация металла происходит между вращающимися в разные стороны валками. При этом уменьшается площадь поперечного сечения заготовки и увеличивается ее
длина (рис. 2.1, а). Этот способ используется при изготовлении профильного и листового проката.
При поперечной прокатке валки, вращаясь в одном направлении, передают вращение заготовке, которая деформируется вдоль
оси валков (рис. 2.1,б).
48
2
2
1
1
1
2
а)
б)
в)
Рис.2.1. Основные схемы прокатки: а – продольная; б – поперечная;
в - поперечно-винтовая; 1 – валки; 2 - заготовка
При продольно-винтовой прокатке благодаря расположению валков под углом заготовка кроме вращательного движения имеет еще и
поступательное (рис. 2.1, в). Этим способом получают пустотелые заготовки для бесшовных труб и периодический прокат.
Способ продольной прокатки имеет наибольшее распространение. Участок, на котором металл подвергается деформации, называют очагом деформации (рис. 2.2).
0
A Qx
H
Qy
P
Py
B
Q
h
Px
l
D
0
Рис. 2.2. Схема действия сил в момент захвата заготовки валками
Дуга АВ, по которой валок соприкасается с прокатываемым ме49
таллом, называется дугой захвата lg. Проекция дуги захвата на горизонтальную ось называется длиной очага деформации l. Центральный угол α, соответствующий дуге захвата, называется углом захвата.
lд =
πDα
360°
Длина дуги захвата
,
где D - диаметр валка.
Деформация при прокатке характеризуется следующим образом.
Уменьшение высоты заготовки называется абсолютным обжатием:
Δh = / H − h / .
Отношение абсолютного обжатия к начальной высоте называется относительным обжатием и представляет собой степень деформации при прокатке:
U=
Δh
H
⋅100% =
H −h
⋅100% .
H
Отношение длины заготовки после прокатки L к длине заготовки
до прокатки L0, характеризующее продольную деформацию, называется коэффициентом вытяжки.
μ=
L1 F0
=
L0 F1 ,
где F0, F1 - площади поперечного сечения заготовки до и после прокатки.
Степень деформации U и коэффициент вытяжки μ являются
важнейшими параметрами, необходимыми при проектировании технологического процесса прокатки.
Определим условия захвата заготовки валками. При соприкос50
новении заготовки с вращающимися валками последние будут оказывать на нее действие в виде приложения силы Р, направленной
нормально к поверхности валков, и силы трения Q, направленной по
касательной (см. рис. 2.2).
Для выявления действия этих сил на заготовку спроектируем их
на горизонтальную ось и получим, что к точке начала соприкосновения металла с валками приложены две силы Рx и Qx, действующие в
противоположных направлениях. Захват заготовки станет возможным, если Qx> PX.
Сила Q x = Q ⋅ cos α = P ⋅ f ⋅ cos α ,
где f - коэффициент трения между валками и заготовкой,
α - угол захвата.
В свою очередь, PX=P ⋅sin α.
Тогда условие захвата заготовки валками запишется следующим
образом:
P ⋅f ⋅cos α > P ⋅sin α
ИЛИ
f ⋅cos α > sin α,
f > tgα.
Выражая коэффициент трения f через тангенс угла трения ϕ,
получим tgϕ > tgα,
ϕ > α,
т.е. для осуществления захвата заготовки валками угол захвата α
должен быть меньше угла трения ϕ.
Угол захвата зависит от величины обжатия, диаметра валков,
состояния их поверхности, наличия смазки, а также от способа прокатки (горячая или холодная). Максимальный угол захвата при горячей прокатке принят 15 … 22°, а при холодной – 3 … 8°.
Изделия, полученные прокаткой, называются сортаментом.
Весь прокат разбит на следующие основные группы:
51
сортовой;
листовой;
трубы;
специальные виды проката.
Группа сортового проката является наиболее разнообразной.
Изделия этой группы подразделяются на профили общего назначения (квадрат, лента, полоса, швеллер, двутавр, катанка и т.д.) и профили специального назначения (рельсы, профили сельскохозяйственного назначения).
Листовой прокат подразделяется на группы по своему назначению (автолист, котельный, кровельный, консервный и т.д.) и по толщине (h < 4 мм и h ≥ 4 мм).
Прокатные трубы делятся на две группы (бесшовные и сварные).
К группе специальных видов проката относится тонкостенный
прокат, например гнутые профили, периодический прокат для нужд
серийного машиностроения. Некоторые виды прокатной продукции
представлены на рис. 2.3. Следует иметь в виду, что расширение
сортамента прокатной продукции является одним из важнейших резервов экономии металла.
Особая роль в этом вопросе принадлежит периодическому прокату. В отличие от обычных периодические профили имеют закономерно изменяющееся сечение в направлении длины изделия. Такие
профили могут представлять собой как готовые изделия (арматурная
полоса и др.), так и полуфабрикат для штамповки деталей машин. Использование периодического проката дает большой экономический
эффект (сокращается загрузка штамповочного оборудования, уменьшается расход электроэнергии, рабочей силы и т. д.). Экономия металла по сравнению со штамповкой тех же деталей из обычного проката достигает 20 … 30%.
52
Рис. 2.3. Некоторые виды прокатной продукции
Комплекс технологических машин – орудий, обеспечивающих
полученные изделия прокаткой, называется прокатным станом. На
рис. 2.4 представлена принципиальная схема устройства прокатного
стана. Основным рабочим узлом является рабочая клеть 1, в которой
устанавливаются валки. Работа стана осуществляется от электродвигателя 5. К передаточным механизмам, обеспечивающим передачу движения от двигателя к валкам, относятся муфты 4, редуктор
3, шестеренная клеть 2, шпиндель 6.
1
2
3
4
5
6
Рис. 2.4. Принципиальная схема прокатного стана: I- рабочая клеть;
2 - шестеренная клеть; 3 - редуктор; 4 - муфта; 5 - электродвигатель; 6 - шпиндель
53
Прокатные валки представляют собой основной инструмент, который выполняет деформацию металла. Прокатка листов и лент производится на гладких валках. Прокатка профилей сортового проката
производится на калиброванных валках, имеющих специальные вырезы, соответствующие требуемой конфигурации сечения полосы в
данном проходе. Кольцевой вырез в одном валке называют ручьем,
а просвет двух ручьев совместно с зазором между валками – калибром. Калибры бывают открытые и закрытые. У открытых калибров
линия разъема валков находится в пределах калибра, а у закрытых вне его пределов (рис. 2.5).
а)
Рис. 2.5. Схема калибров прокатных валков: а - открытого; б - закрытого
б)
Прокатка в закрытых калибрах позволяет получать более точный прокат с минусовыми допусками, однако при этом способе требуется особо точная настройка валков.
В основе получения периодических профилей чаще лежит способ поперечной и поперечно-винтовой прокатки. Принципиальная
схема одного из способов получения периодического проката на
трехвалковом стане показана на рис. 2.6. Дисковые валки располагаются в рабочей клети под углом 120° один к другому и установлены
с некоторым перекосом (4 … 8°) по отношению к оси прокатки, что
обеспечивает поступательное винтовое движение металла через
очаг деформации.
54
Рис. 2.6. Схема трехвалкового стана поперечно-винтовой прокатки
для производства заготовок шаров подшипников: I - калиброванный пруток; 2 - дисковые валки; 3 - периодический
профиль; 4 - зажимной патрон, 5 - копировальная линейка;
6 - ролик следящего клапана
Широкое распространение получили двухвалковые станы поперечно-винтовой прокатки при производстве заготовок шаров подшипников качения. Ручьи валков выполнены по винтовой линии, а оси
валков установлены под некоторым углом друг к другу, рис. 2.7.
Рис. 2.7. Схема двухвалкового стана для прокатки шаров шарикоподшипников: I - калиброванный пруток; 2 - рабочая клеть;
3 - валки; 4 - готовая продукция (шары); 5 – шпиндели
55
В автотракторостроении используются практически все виды
продукции прокатного производства: лист, сортовой прокат, трубы, а
также специальные виды проката. Примером может служить использование периодического стального профиля для изготовления передней оси грузового автомобиля.
На рис. 2.8 представлен чертеж поковки передней оси грузового
автомобиля, а на рис. 2.9 – периодический профиль, используемый
для получения данной поковки методом горячей объемной штамповки.
Коэффициент использования металла при этом достигает порядка
0,90.
1656,5±3
1595
278
А
Б
В
806
Середина
поковки
Г
А
90
Г-Г
Б
В
Г
B-B
A-A
+3
65 -1
90
Б-Б
48
Рис. 2.8. Чертеж поковки передней оси грузового автомобиля
Периодический профиль стали 45, представленный на рис. 2.9,
режется на дисковой пиле на мерные заготовки, затем после нагрева
в полуметодической пламенной печи до температуры 1220 … 1240 °С
подвергается штамповке на штамповочном молоте.
56
А
А
В
Б
А-А
Б
90
Б-Б
Г
В-В
В
Г
Ось
симметрии
Г-Г
90
+1
90-1,5
Рис. 2.9. Периодический стальной профиль для изготовления передней оси грузового автомобиля
Процесс штамповки включает всего три операции (подкатка, гибка, окончательная штамповка), затем следует обрезка заусенца на обрезном прессе.
2. ПРЕССОВАНИЕ
Прессование - способ обработки металлов давлением, заключающийся в выдавливании металла из замкнутого контейнера через
отверстие матрицы, соответствующее сечению получаемого профиля. Процесс ведется по двум схемам: прямого и обратного прессования (рис. 2.10).
57
При обратном методе требуется меньшее усилие пресса, так
как металл заготовки не перемещается относительно внутренней полости контейнера, т. е. отсутствует трение на боковой поверхности
заготовки.
а)
б)
Рис. 2.10. Схема процесса прессования и получаемые профили:
а - прямое прессование; б - обратное прессование
Горячим прессованием получают разнообразный сортамент изделий из цветных металлов (диаметр прутков достигает 250 мм, труб
- 400 мм). Способом прессования получают трубки радиаторов и бензопроводов для автомобилей, тракторов и дорожных машин. Прессованию можно подвергать специальные стали и титановые сплавы.
Исходной заготовкой при горячем прессовании является слиток
или прокат. При горячем прессовании температура заготовки в начале процесса составляет порядка 0,7 Тпл, К.
Особенностью прессования является то, что при этом процессе
металл находится в условиях всестороннего сжатия, что соответствует наибольшей его пластичности. Это обстоятельство дает возможность подвергать деформации малопластичные материалы, которые
не поддаются другим видам обработки давлением, что является важным преимуществом процесса прессования перед другими способами.
Прессование позволяет получать профили сколь угодно слож58
ной формы. Изготовление сложных профилей прессованием является более экономичным, чем прокаткой. Для процесса прессования
характерна высокая гибкость перехода от одного профиля к другому
путем замены матрицы. Точность профилей, полученных прессованием, намного выше, чем при прокатке, что позволяет свести к минимуму последующую механическую обработку.
Основными величинами, характеризующими деформацию при
прессовании, являются коэффициент вытяжки
μ=
F0
F1
и степень деформации
u=
F0 − F1
⋅100 % ,
F0
где F0 - площадь поперечного сечения заготовки;
F1 - площадь поперечного сечения получаемого профиля. Степень деформации влияет на величину и равномерность механических свойств полученного материала, а также на усилие прессования. Для прессования характерны самые высокие значения степени
деформации (от 10 до 90%).
Основным оборудованием для прессования являются гидравлические прессы горизонтального и вертикального действия. Усилие
таких прессов составляет от 300 тс (3,0 МН) до 25000 тс (250 МН).
3. ВОЛОЧЕНИЕ
Волочение - процесс протягивания заготовки через отверстие с
целью уменьшения размеров ее поперечного сечения и соответствующего увеличения длины (рис. 2.11). Инструмент с отверстием 2,
через которое производится протягивание заготовки I, называется
59
волокой или фильерой.
До начала волочения на конце заготовки уменьшают ее размеры с таким расчетом, чтобы она свободно проходила через отверстие волоки. Затем этот конец захватывается клещами 3 тянущего
устройства.
Матрицы (волоки, или фильеры) изготавливаются из инструментальных сталей или твердых сплавов, а иногда (при получении
проволоки диаметром менее 0,25 мм) из алмаза. Этим обеспечивается длительность работы волоки и неизменность поперечного сечения получаемой продукции.
Рис. 2.11. Принципиальная схема процесса волочения: I - заготовка;
2 - волока (фильера); 3 - захватное устройство
Чаще волочение производится без предварительного нагрева
металла. При этом на поверхности заготовки нет окалины, продукция
получается с чистой поверхностью и точными размерами. В процессе волочения происходит холодная пластическая деформация заготовки, сопровождающаяся упрочнением металла (наклепом). Первоначальные свойства металла восстанавливают отжигом. В тех случаях, когда нужную продукцию получают многократным волочением,
60
производится промежуточный отжиг. Для уменьшения износа фильеры и снижения усилия протягивания применяется смазка маслами.
Деформация при волочении измеряется коэффициентом уменьшения диаметра К, получаемым по формуле
K=
d
,
D
где D - диаметр прутка до волочения;
d - диаметр прутка после волочения.
Значения К бывают в пределах 0,8 … 0,85 в зависимости от материала прутка.
Конечно, для уменьшения числа проходов и повышения производительности процесса волочения желательно иметь меньшие значения К, однако есть предел, зависящий от прочности металла после
волочения. Тянущая сила должна быть меньше силы, способной разорвать пруток.
Методом волочения получают стальную проволоку диаметром
от 0,002 до 10 мм, проводят калибровку труб диаметром от капиллярных до 500 мм, производят профили из цветных сплавов круглого, квадратного, сегментного и других сечений, а также трубы.
61
ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ФАСОННЫХ ЗАГОТОВОК
1. КОВКА
Ковкой называется способ горячей обработки металлов давлением, при котором деформация происходит под действием ударной
нагрузки молота или нажатия пресса.
При ковке формоизменение заготовки происходит в результате
течения металла в направлениях, перпендикулярных движению инструмента; причем это течение обычно ограничивается лишь касательными напряжениями трения на контактной поверхности. Последнее обстоятельство обуславливает, с одной стороны, сравнительно небольшое сопротивление металла деформированию, а с
другой - низкую производительность и невысокую точность поковок,
вызывающую необходимость назначения больших припусков для последующей механической обработки.
Ковка применяется в мелкосерийном или индивидуальном производстве, а также является единственным способом получения
крупных поковок. Ковка является единственным способом изготовления заготовок валов гидротурбин, турбинных дисков, валов прокатных станов и других крупных деталей.
В качестве заготовок при ковке используются слитки, вес которых может достигать 320 т. Для более мелких поковок заготовками
служит прокат квадратного, круглого или другого сечения.
Величина деформации при ковке чаще выражается коэффициентом уковки
Y =
F0
,
F1
где F0 - большая площадь поперечного сечения;
F1 - меньшая площадь поперечного сечения.
62
Как видно из формулы, коэффициент уковки всегда больше 1.
При выполнении операции осадки
Y =
Fизд
,
Fзаг
а при операции вытяжки кузнечной
Y =
Fзаг
,
Fизд
где Fзаг - площадь поперечного сечения заготовки под поковку;
Fизд - площадь поперечного сечения изделия (поковки).
Коэффициент уковки не только показывает, во сколько раз изменилась площадь поперечного сечения при ковке, но и характеризует степень прокованности материала.
Практикой установлено, что для получения качественных поковок из конструкционных сталей степень уковки слитков должна быть
не менее 2,5 … 3,0. В тех случаях, когда производится ковка высоколегированных сталей, имеющих грубую литую структуру (например,
инструментальная сталь Х12М), коэффициент уковки может быть доведен до 10 … 12.
К основным операциям ковки относятся: осадка, высадка, протяжка кузнечная, гибка, скручивание, отрубка (разрубка), прошивка,
штамповка в подкладных штампах (рис. 3.1).
Осадкой называется операция увеличения площади поперечного сечения исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты. Осадка применяется при изготовлении поковок с большими поперечными
сечениями небольшой высоты (шестерен, дисков и т.п.). Разновидностью осадки является высадка, заключающаяся в местном увеличении поперечного сечения. Высадка обычно применяется для получения головок болтов, буртов, фланцев и т.д.
63
Рис. 3.1. Схемы основных операций ковки: а - осадка; б - высадка; в
– протяжка кузнечная; г - гибка; д - скручивание; е – отрубка (разрубка); ж - прошивка; з – штамповка в подкладных
штампах
Протяжка кузнечная - операция увеличения длины исходной
заготовки за счет уменьшения ее поперечного сечения. Эта операция
применяется при изготовлении поковок с удлиненной осью (валов,
шатунов, рычагов, тяг и т.д.).
Гибкой называется операция, посредством которой заготовке
64
придают изогнутую форму по заданному контуру. Гибкой изготавливают угольники, скобы, крюки, кронштейны и т. д.
Скручивание представляет собой операцию поворота одной
части поковки относительно другой вокруг продольной оси. Применяется при изготовлении коленвалов, сверл и др.
Разрубка - операция отделения одной части заготовки или поковки от другой.
Прошивкой называется операция получения в заготовке отверстия.
Штамповка в подкладных штампах применяется в мелкосерийном производстве при получении поковок сложной конфигурации,
которые трудно получить за счет перечисленных выше операций. В
подкладных штампах получают небольшие поковки.
Для ковки используется оборудование двух типов: машины динамического типа (молоты) и машины статического действия (гидравлические прессы).
Ковочные молоты, в свою очередь, разделяются на пневматические и паровоздушные. Пневматические молоты работают от электродвигателя, приводящего в действие компрессор и рабочий поршень молота. Они применяются для получения сравнительно мелких
поковок. Вес падающих частей таких молотов составляет от 100 до
1000 кГ; к. п. д. их невысок.
Более широкое распространение получили паровоздушные молоты. Паровоздушные молоты приводятся в действие паром или
сжатым воздухом давлением 7 … 9 атм. (0,7 … 0,9 Мн/м2).
В зависимости от конструкции стоек молоты разделяются на одностоечные, двухстоечные (арочные) и мостовые. По принципу работы молоты делятся на молоты простого и двойного действия. В первом случае деформация металла производится за счет действия свободно падающих частей, во втором случае имеет место принудительное ускорение падающих частей. Паровоздушные молоты служат для
ковки слитков весом 1,5 … 2,0 т. Вес падающих частей составляет от 1
65
до 5 т. Основными частями паровоздушных молотов являются: рабочий цилиндр, поршень, шток, баба, верхний в нижний бойки, подушка,
шабот (рис. 3.2).
2
3
4
5
6
Рис. 3.2. Принципиальная схема
ковочного молота: I станина; 2 - цилиндр; 3 поршень; 4 - шток; 5 баба; 6 - верхний боек; 7
- заготовка; 8 - подушка;
9 - шабот
3
7
8
9
Энергия удара молота подсчитывается по формуле
mV 2
E=
,
2
где m - масса падающих частей, кг;
V - скорость падения, м/с.
Коэффициент полезного действия молота представляет отношение полезно используемой энергии деформации Ед к общей энергии удара E:
η=
Eд
E
и зависит от соотношения масс падающих частей молота (m) и шабота (M).
При
при
M
=1
m
η = 0,5 ;
M
= 15
m
η = 0,94 ;
66
при
M
= 30
m
η = 0,98 .
Как видно из формул, к. п. д. активно возрастает до увеличения
M
= 15 . Дальнейшее повышение отношения не приводит к значиm
тельному увеличению значения η. Поэтому для ковочных молотов
массу шабота принимают в 15 раз большей массы падающих частей,
что обеспечивает высокий к. п. д. (≈ 0,94).
Гидравлические прессы приводятся в действие с помощью жидкости (воды, масла) и относятся к механизмам, не имеющим жесткого
хода. В период рабочего хода гидравлических прессов энергия вводится непрерывно и скорость их подвижных частей возрастает.
Гидравлические прессы используют для ковки крупных слитков.
Усилие прессов может быть от 50 до 70000 МН, к. п. д., учитывающий
потери на трение, составляет 0,8 … 0,9.
2. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА
Объемная штамповка – штамповка изделий или заготовок из
сортового проката с обусловленным значительным перераспределением металла в поперечном сечении исходной заготовки. Объемная
штамповка - кузнечный процесс, при котором течение металла ограничено поверхностью полости штампа. Полость штампа, имеющая
форму изделия-поковки, называется ручьем штампа.
Процесс применяется в массовом производстве. Широко используется объемная штамповка в автомобилестроении при получении заготовок ответственных высоконагруженных автотракторных
деталей, таких как коленчатые и распределительные валы, шатуны,
крестовины карданов и др. Данный способ получения заготовок позволяет значительно сократить расход металла при производстве
67
деталей машин и повысить их качество.
Основными преимуществами процесса являются высокая производительность, высокая точность заготовок и чистота поверхности,
что влечет за собой экономию металла и сокращение затрат на механическую обработку; возможность получения заготовок сложной
конфигурации, которые не удается получить ковкой.
Однако данному процессу обработки давлением присущи и недостатки: штамповый инструмент имеет высокую стоимость и используется чаще всего для узкоспециализированных целей; для деформации металла требуются гораздо больше мощности, чем при
ковке.
Вопрос о целесообразности применения объемной штамповки
для производства заготовок деталей решается на основе экономических расчетов путем определения себестоимости изготовления одной детали при различных способах. При этом учитываются производственная программа и расходы на изготовление штампа.
На основе расчетов строятся графики подобно типовому, представленному на рис. 3.3. При ковке стоимость изготовления поковок
практически не зависит от производственной программы (линия 1 на
графике). При штамповке высокая стоимость штампа раскладывается на число получаемых в нем заготовок. Чем больше программа
производства, тем ниже стоимость каждой детали. Зависимость
стоимости детали при штамповке показана на графике кривой 2.
68
Себестоимость поковки, руб.
2
1
n
0
Производственная программа, ед.
Рис. 3.3. Зависимость себестоимости единицы изделия от производственной программы: I - при ковке; 2 - при объемной
штамповке
При производственной программе n оба метода экономически
равноценны. Если программа меньше n, целесообразно применять
ковку, а если больше - объемную штамповку. Следует иметь в виду,
что при подобных расчетах принимают во внимание не только стоимость инструмента, но и оплату труда, стоимость материалов, электроэнергии и другие расходы.
Штамповкой получают заготовки преимущественно массой до
100 кг. Исходными материалами для объемной штамповки служат
сортовой прокат, прессованные прутки, литые заготовки. В крупномасштабных производствах экономичным является использование в
качестве заготовок под объемную штамповку проката периодического профиля, что способствует сокращению подготовительных операций.
Горячая объемная штамповка выполняется двумя методами:
69
облойным (с заусенцем) в открытых штампах и безоблойным (при
отсутствии заусенца) в закрытых штампах.
Сущность облойного метода заключается в том, что поковка по
месту разъема штампа вследствие избытка металла получается с
заусенцем (облоем) (рис. 3.4). Наличие облоя обеспечивает хорошее
заполнение полостей штампа, ибо сам заусенец начинает образовываться
раньше
заполнения
1
ручьев.
При
последующем
3
4
смы-
5
2
Рис. 3.4. Схема получения поковки в открытом штампе: I - штамп; 2 исходная заготовка; 3 - поковка с заусенцем; 4 - обрезной
штамп; 5 - поковка
кании штампа сопротивление металла истечению в облойную полость резко увеличивается. Это создает подпор по контуру изделия,
который способствует заполнению всех участков штампа. По окончании штамповки облой удаляется на обрезных штампах. Данный способ широко используется в производстве, так как обеспечивает хорошее заполнение штампа и не требует точного расчета заготовки.
При безоблойном методе заготовка помещается в полости одной части штампа (матрице) и деформация происходит за счет другой части (пуансона) (рис. 3.5). При этом облой в изделии не предусматривается. Основным преимуществом безоблойного метода является пониженный расход металла. Однако формы поковок менее
разнообразны, чем при облойном методе. Способ требует точного
70
расчета размера заготовок.
1
4
2
3
Рис. 3.5. Схема получения поковки в закрытом штампе: 1 – матрица; 2- пуансон; 3 – выталкиватель; 4 поковка
Одним из методов получения заготовок сложной конфигурации
является штамповка в многоручьевых штампах.
В многоручьевом штампе каждый ручей имеет определенное назначение. Различают ручьи штамповочные и заготовительные. Штамповочные ручьи, в свою очередь, делятся на черновой (предварительный) и чистовой (окончательный).
В чистовом ручье получаются конечная форма и размеры заготовки. Обычно чистовой ручей выполняется открытым. Заготовка получается с облоем.
Назначение чернового ручья - увеличить стойкость чистового. В
нем, как правило, отсутствует облой, штамповочные уклоны увеличены по сравнению с уклонами чистового ручья.
Заготовительные ручьи позволяют постепенно перейти от простой формы заготовки к более сложной, что облегчает работу штамповочных ручьев. На рис. 3.6 представлены многоручьевой штамп и
схема изменения заготовки для поковки шатуна. Штамповочные ручьи располагаются в середине штампа, а заготовительные - по краям. Обычно многоручьевые штампы используются для штамповок на
молотах.
71
Поковка
Исходная заготовка
Протяжка
Подкатка
Гибка
Предварительная штамповка
Окончательная штамповка
Рис. 3.6. Многоручьевой штамп и схема изменения формы заготовки шатуна
Основным оборудованием для горячей объемной штамповки
являются: штамповочные молоты; кривошипные горячештамповочные
прессы
(КГШП);
гидравлические
прессы;
горизонтально-
ковочные машины (ГКМ).
72
Штамповочные молоты обычно бывают паровоздушные двойного действия. Вес падающих частей достигает 30 т. Принцип их действия и схема аналогичны ковочным молотам, однако существуют
следующие отличия. Стойки штамповочных молотов устанавливаются
непосредственно на шаботе. Баба штамповочного молота перемещается в направляющих. Это обеспечивает более высокую точность
совпадения частей штампа в процессе удара. Масса падающих частей
молота меньше массы шабота не менее чем в 20 … 30 раз.
Принципиальная схема кривошипного горячештамповочного
пресса представлена на рис. 3.7. Усилие, развиваемое прессом, может составлять 630 … 8000 МН.
2
1
3
4
5
6
7
11
8
10
Рис. 3.7. Кинематическая схема кривошипного горячештамповочного
пресса: I - электродвигатель; 2 клиноременная передача; 3 маховик; 4 - вал; 5 - шестерня; 6
- кривошипный вал; 7 - шатун; 8 фрикционная муфта; 9 - клин
стола; 10 - ползун; II - предохранитель
9
Штамповка на КГШП имеет ряд преимуществ перед штамповкой
на молотах: производительность штамповки на КГШП выше, так как
формообразование осуществляется за один ход пресса; точность поковок больше из-за высокой жесткости конструкции пресса и отсутствия ударов; штамповочные уклоны меньше на поковках (на прессах
предусмотрены выталкиватели).
К недостаткам относятся: невозможность применения заготовительных ручьев в штампах; нагретая заготовка должна быть полностью очищена от окалины.
В силу этих обстоятельств при получении фасонных заготовок на
73
КГШП заготовительные операции заменяются использованием заготовок из периодического проката или предварительной вальцовкой на
ковочных вальцах. Использование периодического проката при штамповке на КГШП дает значительный экономический эффект в массовом
производстве. Работа на КГПШ совмещается с установками индукционного нагрева.
Гидравлические прессы для штамповки развивают усилия до
75000 тс. Недостатком этих машин является их высокая себестоимость и низкая производительность, поэтому их применяют лишь при
штамповке труднообрабатываемых сплавов, требующих низких скоростей деформирования.
Горизонтально - ковочные машины (ГКМ) представляют собой
кривошипные прессы с перемещением ползуна в горизонтальном
направлении. Штампы ГКМ имеют разъем в двух перпендикулярных
плоскостях. Это создает удобство для осуществления всевозможных
высадочных работ в закрытых штампах. При этом обеспечивается
высокая точность изделий.
На ГКМ штампуют поковки болтов, гаек, колец, втулок, клапанов
и др. Горизонтально-ковочные машины имеют высокую производительность (400 … 900 изделий в час.). Применяются в массовом производстве. ГКМ развивают усилие от 100 до 3150 тс. Работа на ГКМ
поддается полной автоматизации.
Горячая штамповка на горизонтально-ковочных машинах является одним из высокопроизводительных и экономичных способов получения заготовок. Процесс штамповки на ГКМ имеет следующие преимущества:
- возможность штамповки в закрытых штампах;
- обеспечение минимальных штамповочных уклонов и припусков на механическую обработку;
- обеспечение наиболее благоприятной макроструктуры металла;
- вследствие кратковременности металл не теряет пластичности, что облегчает процесс штамповки.
74
Исходными заготовками являются горячекатаные штанги из проката круглого сечения.
3.
ПРОГРЕССИВНЫЕ
ПРОЦЕССЫ
ГОРЯЧЕЙ
ОБЪЕМНОЙ
ШТАМПОВКИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
Объемная штамповка является прогрессивным видом получения заготовок, позволяющим значительно сократить расходы металла при производстве деталей машин и повысить качество. Поэтому
кузнечно-штамповое производство является одним из основных производств, обеспечивающих изготовление заготовок для деталей автомобилей.
На автомобилестроительных предприятиях нашей страны осуществляется целенаправленная модернизация кузнечно-штампового
производства, обеспечивающая внедрение малоотходной технологии
при изготовлении точных заготовок для деталей автомобилей. Это
дает реальную экономию металла на единицу продукции.
В современном кузнечно-штамповочном производстве автомобилестроительного завода можно выделить три основных направления:
- использование скоростного индукционного нагрева перед обработкой давлением;
- внедрение в производство автоматизированных линий объемной штамповки;
- внедрение в производство малоотходной технологии (прецизионная штамповка, поперечно-винтовая прокатка, термопластическое деформирование и др.).
3.1. Автоматический комплекс для горячей объемной штамповки
75
Одним из путей совершенствования процесса горячей штамповки является внедрение в производство автоматических комплексов.
В состав комплекса для горячей объемной штамповки входят: индукционный нагреватель, кривошипный горячештамповочный пресс
усилием 2500 тс (25 МН), средства механизации загрузки, транспортировки и выгрузки заготовок. Рассматриваемый комплекс представляет собой автоматическую линию горячей штамповки поковок шестерен с деформированием зубьев. Комплекс может эксплуатироваться в кузнечных цехах машиностроительных заводов различных
отраслей народного хозяйства для штамповки круглых в плане поковок диаметром 160 мм. Наиболее эффективным является применение комплекса для многопозиционной штамповки крупных партий деталей.
Изготовление поковок под шестерню представляет собой процесс штамповки в открытых штампах. Заготовками для поковок является прокат круглого сечения. Технологический процесс штамповки
включает в себя следующие операции: осадку, предварительную
формовку, окончательную формовку, просечку отверстия, обрубку
облоя.
На рис. 3.8 показаны технологические переходы при штамповке
заготовки под шестерню с зубом. В результате осадки цилиндрическая заготовка приобретает бочкообразную форму (рис. 3.8, а).
а)
б)
76
в)
г)
Рис. 3.8. Технологические переходы при штамповке шестерни: а после осадки; б - после предварительной штамповки; в после окончательной штамповки; г - после просечки отверстия
На рис. 3.8, б представлен результат предварительной, а на рис. 3.8,
в - окончательной формовки. На рис. 3.8, г показана заготовка после
просечки отверстия.
Общий вид комплекса представлен на рис. 3.9. Конструктивно
комплекс состоит из ряда самостоятельных механизмов и устройств,
которые располагаются друг около друга согласно технологической
последовательности изготовления поковки. От индуктора 1 нагретые
заготовки попадают на участок загрузки и по транспортеру 2 подаются клещевыми захватами погрузчика через окно в левой стойке пресса 3 на позицию осадки. При выходе из индуктора производится контроль заготовки по длине и температуре. Перенос поковки по позициям штампового блока 4 производится с помощью автоматической
грейферной подачи. Отвод просечек, облоя и готовых поковок от
пресса
77
осуществляется цепными транспортерами 5, 6, имеющими индивиду-
78
Рис. 3.9. Общий вид автоматического комплекса для горячей объемной штамповки
альные электроприводы. На отводящем транспортере 6 установлен
счетчик поковок. Для подачи технологической смазки к блоку штампов и для сдува окалины используется специальная установка 7, которая располагается около левой стойки пресса. Для быстрой смены
вставок штампа при переналадке и ремонтах используется механизм
смены вставок штампов 8, который может перемещаться по специально предусмотренным в фундаменте рельсам.
Технические данные комплекса
Характеристика поковок: круглые в плане; максимальный диаметр - 160 мм.
Максимальное число позиций штампа – 5.
Максимально допустимая глубина ручья в нижней части штампа
- 60 мм.
Усилие пресса - 2500 тс. (25 МН). Ход ползуна - 350 мм.
Проектная производительность - 16 шт/мин.
Общая установленная мощность - 166 кВт.
3.2. Ковочные автоматы для прецизионной штамповки
В автомобилестроительной промышленности успешно эксплуатируются автоматы для прецизионных поковок весом до 3 кг. Эти установки представляют собой разновидность горизонтально-ковочных
машин (ГКМ).
Технологический процесс получения прецизионных поковок на
ковочных автоматах включает в себя следующие операции:
- нагрев заготовок в индукционных нагревателях ТВЧ;
- рубка штанг на мерные заготовки;
- штамповка.
Основными операциями штамповки являются: осадка, предварительная формовка, окончательная формовка, пробивка отверстия.
Процесс начинается у загрузочного магазина. Горячекатаные
штанги движутся по рольгангам к нагревательному устройству через
79
систему индукторов, в результате чего заготовки приобретают ковочную температуру. Четыре ролика, охлаждаемые водой, втягивают
раскаленную штангу в установку, где она режется на мерные заготовки и подается к матрицам (рис. 3.10). Ролики, обеспечивая захват
штанги, не допускают ее деформации и сбивают с нее окалину. В зоне штамповки заготовка передается с позиции на позицию клещевыми захватами. Ковочный инструмент имеет высокую стойкость благодаря хорошо продуманной системе охлаждения. Пуансоны и матрицы охлаждаются водой через распылители. Струи воды смывают
окалину с матриц. Расход воды на установку составляет 90 м3/ч. На
клещевых захватах механизма подачи установлены отклоняющие козырьки, которые препятствуют обрызгиванию деталей.
нагретая штанга
нож неподвижный
нож подвижный пуансонодержатель
съемник
поковки
упор
Рис. 3.10. Принципиальная схема работы ковочного автомата для
прецизионной штамповки
На рис. 3.11 представлены чертежи переходов, обеспечивающих получение высокоточной заготовки под шестерню. Как видно из
80
чертежей, ковочный автомат обеспечивает высокую точность размеров, малые уклоны, а следовательно, и припуски на механическую
обработку. Штамповочные уклоны не превышают 2°. Допуск на размеры поковок составляет 0,3 мм, припуск на механическую обработку примерно I мм на сторону. Столь высокая точность позволяет экономить (по сравнению с другими методами горячей обработки) до
25% металла.
∅70
0 30’
∅20
81,2
61
48
∅61
∅70
∅51,15
∅52,7
∅80
∅97,95
∅97,35
∅80
∅51,4
9
33,8
46
Рис. 3.11. Технологические переходы при штамповке заготовки под
шестерню
Ковочные автоматы для прецизионной штамповки позволяют
получать поковки как из углеродистой, так и легированной стали.
Благодаря возможности деформирования подшипниковых сталей
81
подобные установки успешно используются в подшипниковой промышленности.
Основными преимуществами установок являются:
- экономия рабочей силы (установку обслуживают 3 … 4 человека любой квалификации),
- экономия металла за счет снижения припусков на механическую обработку и отсутствия облоя,
- высокая производительность (до 70 штук поковок в мин.),
- легкая переналаживаемость.
Ковочные автоматы для прецизионных поковок - это машины с
горизонтальным коленчатым валом, с одной ступенью резки и четырьмя ступенями формообразования. Все элементы машины объединены в единой стальной раме – корпусе.
Нагревательная установка ТВЧ и ковочный автомат составляют
единую систему производства, работающую в полном автоматическом режиме.
Технические данные установки для прецизионной штамповки
Характеристика поковок:
максимальный диаметр - 120 мм,
вес – 400 … 3000 г.
Усилие прессования - 1200 тс (12МН).
Производительность - 70 шт/мин.
Вес машины - 168 т.
3.3. Поперечно-клиновая прокатка поковок
Одним из способов малоотходной технологии, позволяющей
экономить дорогостоящий прокат, является процесс поперечноклиновой прокатки поковок. Установка для поперечно-клиновой прокатки предназначена для изготовления деталей типа тел вращения.
82
Этим способом получают как готовые изделия, так и полуфабрикаты,
подвергаемые в дальнейшем обработке на других видах кузнечнопрессового оборудования. За один проход инструмента получают готовую поковку. Допускается изготовление двух поковок одновременно, если суммарная длина их не превышает ширину инструмента.
Способ поперечно-клиновой прокатки заготовок по сравнению
со штамповкой на обычном кузнечно-прессовом оборудовании имеет
следующие преимущества:
- повышается точность заготовок, благодаря чему припуск на
механическую обработку снижается в 1,5 … 2,0 раза;
- расход проката снижается на 15 … З0%;
- повышается производительность труда в 3 … 7 раз;
- улучшаются условия труда рабочих.
Иногда процесс поперечно-клиновой прокатки называют еще
вальцовкой. Он осуществляется движущимися навстречу друг другу
клиновыми инструментами. Продольная ось заготовки в процессе
вальцовки расположена перпендикулярно направлению движения
инструмента; заготовка вращается вокруг этой оси. В результате деформирования заготовки клиновым инструментом происходит уменьшение диаметра заготовки и увеличение ее длины.
На рис. 3.12,a показана деформация прутка между двумя валками, вращающимися в одном направлении. По мере вращения валков расстояние между ними меняется, за счет чего происходит изменение диаметра заготовки.
Чаще используют установки поперечно-клиновой прокатки с
плоским инструментом (рис. 3.12,б). При движении инструмента заготовка получает вращение.
а)
83
б)
Рис. 3.12. Принципиальная схема поперечно-клиновой прокатки: а валковым инструментом; б - плоским инструментом
Клиновой инструмент (рис. 3.13) имеет следующие участки: заходный - 1, формоизменяющий - 2, калибрующий- 3, отрезной- 4,
правильный - 5.
Заходный участок выполнен в виде острого буртa, образованного двумя пересекающимися гранями инструмента А. Формообразующий участок имеет трапециевидное поперечное сечение, боковые
стороны которого образованы наклонными деформирующими гранями инструмента, а верхнее основание - его калибрующими поверхностями Б. Профиль верхнего основания (рабочий профиль) повторяет
элементы профиля получаемого изделия.
Положение наклонных деформирующих граней в пространстве
определяется углом заострения клина β и углом наклона α этих граней к продольной оси заготовки. Углы α и β являются основными технологическими параметрами.
Угол α определяет длину очага деформации, с его увеличением
длина очага деформации уменьшается. Величина угла α составляет
30 … 40°. Угол β; величина которого 6 … 10°, определяет скорость
84
распространения очага деформации вдоль оси заготовки и длину кли-
2
А
Б
1
Деформирующий участок
3
4
5
нового инструмента.
α
β
β
Рис. 3.13. Принципиальная схема инструмента для поперечноклиновой прокатки
Процесс деформации происходит следующим образом. Исходная
заготовка с постоянным круглым поперечным сечением начинает перемещаться между двумя клиновыми инструментами в момент, когда
начала их острых буртов противостоят друг другу. При встречном движении инструментов происходит внедрение их острых буртов во вращающуюся заготовку. На последней образуется кольцевая канавка.
Затем эта канавка расширяется под действием наклонных деформирующих граней формообразующего участка инструмента. Происходит
формирование изделия. По мере выхода деформированного металла
85
с наклонных граней на калибрующие поверхности инструмента осуществляется калибровка уже деформированных элементов изделия. Таким образом, деформирование и калибровка происходят одновременно по всей длине изделия за исключением его концевых участков. Калибровка же концевых участков изделия происходит только на калибрующем участке, где предусмотрены специальные отрезные ножи.
На рис. 3.14 представлены виды заготовок, получаемых методом
поперечно-клиновой прокатки. Все они представляют собой тела вращения с цилиндрическими, коническими, сферическими и т. д. поверхностями.
Рис. 3. 14. Виды заготовок, получаемых поперечно-клиновой прокаткой
Наиболее широко изучен и внедряется в производство метод горячей клиновой прокатки. Шероховатость поверхности получаемых изделий обычно не превышает
ностью
. Можно получить изделие с поверх-
. Добиваются этого за счет снижения температуры нагре-
ва, предварительной очистки заготовок от окалины, использования ин86
струмента со шлифованной рабочей поверхностью. Процессу поперечно-клиновой прокатки можно подвергать заготовки из углеродистых,
низко- и среднелегированных марок сталей. Метод позволяет получать
заготовки с коэффициентом использования металла 0,8.
В настоящее время в автомобилестроительной промышленности эксплуатируются автоматические линии поперечно-клиновой
прокатки поковок. Автоматизированная линия поперечно-клиновой
прокатки поковок состоит из загрузчика, индукционного нагревателя,
кривошипного горячештамповочного пресса (рис. 3.15). Рабочий инструмент крепится на двух салазках, поступательно движущихся в
направляющих навстречу друг другу. Салазки поступательно движутся вверх и вниз под действием гидравлических цилиндров (рис. 3.
16).Салазки имеют гребенку и шестерню между ними для предотвращения проскальзывания. На салазках установлены державки, на
которых крепится клиновой инструмент. Расстояние между рабочими
поверхностями державок регулируется в пределах 2 мм.
А
1
5
5
2
3
5
Б
4
Рис. 3.15. Принципиальная схема автоматизированной линии поперечно-клиновой прокатки: 1 – автоматический загрузчик
заготовок; 2- индукционный нагреватель; 3- механизм для
подачи заготовок в машину; 4 – установка поперечноклиновой прокатки; 5 – электрошкафы; А, Б– заготовки до
и после прокатки
Технические данные установки:
87
максимальный диаметр прокатываемых заготовок – 40 мм;
длина плиты – 1700 мм;
ширина плиты – 520 мм;
длина прокатываемой детали - 400 мм;
число ходов в минуту – 6;
распорное усилие - 200 тс (2МН);
мощность двигателя - 63 кВт;
осевая регулировка - ± 3 мм.
3
2
1
1
Рис. 3. 16. Схема крепления клинового инструмента: 1 – гидроцилиндры; 2, 3 - салазки
3.4. Термопластическое деформирование
Примером внедрения в технологию машиностроения малоотходной технологии может служить замена процессов резания металлов
88
термопластическим деформированием. Применение обработки давлением взамен обработки резанием позволяет повысить коэффициент
использования металла, а также производительность процесса.
Прогрессивная технология используется и в автомобилестроении. Так, изначально шлицевую втулку кардана вытачивали из трубы
76х13 (материал - сталь 40Х). Затем для той же цели стали использовать более тонкостенную трубу 73х12 (той же марки стали). Утолщения на внешней поверхности трубы стали создавать за счет осадки и
формовки с использованием локального нагрева заготовки на определенных ее участках.
Технологический процесс изготовления втулки с использованием метода пластического деформирования включает в себя следующие операции:
- рубка трубы на мерные заготовки;
- механическая обработка внутренней поверхности трубы;
- термопластическое деформирование;
- термическая обработка.
На рис. 3.17 представлены чертежи заготовки под втулку до и
после пластического деформирования.
Обработка давлением производится на специальной установке.
Полуавтоматическая установка включает в себя: стол загрузки; два
высокочастотных нагревателя, работающих от генератора ТПЧ 100/8
мощностью 100 кВт и частотой 2400 Гц; два пресса усилием 35 тс
(0,35 МН); стол разгрузки (рис. 3.18).
89
а)
∅58
∅73 min
∅52,3
∅51,8
∅52,3
43
211
б)
∅80 min
L
∅67
∅75,3 min
12 min
91
206
Рис. 3.17. Чертежи заготовки под втулку кардана: а - до термопластического деформирования; б - после термопластического деформирования
Две заготовки одновременно подаются к первому нагревательному устройству, где за 24 c происходит нагрев их до 1100 … 1150°С
в месте образования пояска. Нагретые заготовки перемещаются к
прессу 3, производится операция осадки, и после этого - ко второму
90
нагревателю, производится нагрев верхней части заготовки до 750 …
800°С с последующей формовкой их на прессе 5. Технологические
переходы формообразования показаны на рис. 3.19.
3
2
4
5
1
6
Рис. 3.18. Принципиальная схема установки для термопластического деформирования: 1 - стол загрузКИ; 2, 4 - установки
индукционного нагрева; 3,5 - прессовые установки; 6 стол разгрузки
После термопластического деформирования заготовки подстуживаются с помощью спрейерного устройства и поступают на дальнейшую обработку.
Внедрение процесса обработки давлением взамен обработки
резанием позволило снизить массу заготовки под шлицевую втулку
кардана с 4,526 до 4,014 кг, при этом коэффициент использования
металла возрос с 0,490 до 0,555.
91
а)
Осадка
пуансон
зона
нагрева
б)
Формовка
зона
нагрева
пуансон
Рис. 3.19. Технологические переходы при термопластическом деформировании
4. ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА
Листовая штамповка является одним из прогрессивных методов
получения изделий из листовых материалов.
Детали, изготовленные листовой штамповкой, широко приме92
няются в автомобильной промышленности. Этим методом можно изготавливать сложные по форме изделия, например, детали кузовов
автомобилей, капоты двигателей, топливные баки, различные прокладки и т.д.
Листовой штамповкой изготавливают изделия из листового проката, толщиной до 20 мм.
Металл толщиной до 10 мм обычно штампуют без нагрева, более толстые листы нагревают до ковочной температуры.
Для листовой штамповки применяются материалы, обладающие хорошей пластичностью: низкоуглеродистая сталь, алюминиевые деформируемые сплавы, сплавы на основе меди, сплавы титана
(штампуются с подогревом), а также неметаллические материалы картон, кожа, текстолит и др.
К преимуществам процесса относятся: небольшой вес деталей,
полученных штамповкой, экономичный расход металла, хорошая
чистота поверхности изделий, возможность получения изделий
сложной конфигурации в сочетании с пайкой, сваркой, клепкой.
Все операции листовой штамповки делятся на две группы: разделительные (отрезка, вырубка, пробивка) и формоизменяющие
(гибка, вытяжка, обжим, отбортовка).
Резка материала по незамкнутому контуру производится на
ножницах. Для отделения одной части материала от другой по замкнутому контуру применяется вырубка, которая производится с помощью штампов на механических или гидравлических прессах (рис.
3.20). Роль верхнего перемещающегося ножа в штампе выполняет
пуансон, а нижнего - матрица. Как правило, пуансон имеет меньшие
размеры, чем матрица, образуя зазор-просвет. По этой схеме выполняются две операции: вырубка и пробивка. При вырубке удаляемая часть листа является нужной нам заготовкой, при пробивке вы93
резанная часть является отходом, а оставшаяся часть - изделием.
P
Z
/2
c
Z
/2
P
1
2
1
3
3
r
4
2
5
Рис. 3.20. Принципиальная схема Рис. 3.21. Принципиальная схема вытяжного штамвырубки: I - пуансон; 2 па: I- пуансон; 2 матрица; 3 - заготовка
прижим; 3 - заготовка
(лист)
(лист); 4 - матрица; 5 выталкиватель
Действительное усилие вырубки подсчитывается по формуле
P = (1,1 … 1,3) П δ τср ,
где Р - усилие вырубки, кГс;
1,1 … 1,3 - коэффициент, учитывающий производственные факторы;
П - длина контура вырубаемой детали, мм;
δ - толщина материала, мы;
τср - сопротивление среза, кГс/мм2. Обычно eгo принимают равным (0,80 … 0,86) σВ.
В процессе вырубки большое значение имеет зазор между матрицей и пуансоном (разность рабочих размеров матрицы и пуансона). От величины зазора зависят величина потребного усилия, качество поверхности, точность получаемой детали, износ и стойкость
штампа. Оптимальный зазор Z = (0,05 … 0,1) δ , при котором достигаются наилучшие результаты, зависит от рода и толщины штампуе94
мого материала, а также режима работы пресса (числа двойных ходов в минуту).
Основной формоизменяющей операцией листовой штамповки
является вытяжка.
Вытяжка - процесс превращения плоской или полой заготовки в
открытое сверху полое изделие, осуществляемый с помощью вытяжных штампов. Вытяжка широко применяется для изготовления деталей различных приборов и аппаратов. На рис. 3.21 представлена
схема вытяжного штампа для изготовления детали типа колпачка. В
штамповочном производстве различают два вида вытяжки: вытяжку
без утонения стенок и вытяжку с утонением стенок. В первом случае
зазор между матрицей и пуансоном должен превышать толщину листа δ, из которого изготавливается деталь. Обычно принимают С =
(1,05 … 1,2)δ.
При вытяжке с утонением стенок изделия зазор между матрицей
и пуансоном должен быть меньше толщины листа (С < δ). Пуансон и
матрица должны иметь закругления r, иначе на сгибе будет происходить сильный наклеп.
r = (1 … 10) δ.
В процессе вытяжки по краю колпачка образуются складки (гофры) за счет наличия избыточного материала. Для предотвращения
образования складок применяют прижимное кольцо, или складкодержатель, который прижимает фланец заготовки к матрице. Вследствие этого деформируемый материал не образует гофры, а перемещается в радиальном направлении под действием пуансона. Вытяжка без прижима применяется для неглубоких изделий, когда
складки почти не образуются либо выглаживаются при прохождении
через матрицу.
Опыт показал, что процесс вытяжки возможен без разрыва заготовки, если отношение диаметра заготовки или полуфабриката к диа95
метру изделия, называемое коэффициентом вытяжки, не более определенной величины Кв.
KB =
Dзаг
= 1,5...2 .
d изд
Если из данной заготовки нужно получить более длинную деталь
меньшего размера, вытяжку производят в несколько операций.
При вытяжке изделий происходит наклеп. Для восстановления
свойств металла с целью проведения последующих операций вытяжки применяют термическую обработку - отжиг. Отжиг осуществляется в электропечах обычно шахтного типа. Для улучшения качества
штампуемых изделий на многих заводах применяют безокислительный (светлый) отжиг в атмосфере водорода, азота, паров воды и т.п.
Для осуществления местного отжига наиболее наклепанной части полуфабриката применяют индукционный нагрев токами промышленной частоты. После отжига изделий для снятия с них окалины производят травление в расплавленных солях с последующей промывкой
в воде, нейтрализацией в щелочном растворе и сушкой.
5.
ПРОГРЕССИВНЫЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
Задачи современного листоштамповочного производства на автомобилестроительных предприятиях направлены на широкое внедрение средств механизации и автоматизации.
Основными целями при этом являются:
- повышение производительности труда;
- обеспечение безопасной работы на прессах;
- сокращение числа работающих.
Эти задачи решаются двумя путями:
-
внедрением в производство механизмов, обеспечивающих
96
выполнение вспомогательных операций процесса листовой штамповки: подачу в штамп ленты или полосы, съем готовой детали со штампов и т.п.;
- применением листоштамповочных автоматов.
К прессам общего назначения (универсальным кривошипным
прессам простого действия), на которых обычно отсутствуют устройства автоматической подачи, пристраивают соответствующие автоматизирующие приспособления. Наиболее распространенными являются крючковые, валковые и клещевые приспособления к штампам для
подачи полос и лент. Лотковые и другие приспособления используются для подачи штучных заготовок. Достоинством этих приспособлений
является их универсальность. Они могут работать на любом прессе
без переналадки. Для механизации процесса подачи отдельных листов на штамповку используют листоукладчики. Для удаления из штампа и подачи на последующие операции крупных деталей после операции вытяжки применяются "механические руки".
Листоштамповочные многопозиционные автоматы предназначены для многооперационной последовательной штамповки деталей
в массовом производстве. Они позволяют автоматизировать весь
производственный процесс изготовления деталей, включая межоперационную транспортировку полуфабрикатов, уборку отходов и т.д.
Крупные многопозиционные прессы-автоматы в большинстве случаев удобнее и компактнее автоматических линий. В автотракторной
промышленности на автоматах такого типа штампуют колпаки колес,
корпуса фар, тормозные диски, картеры, кожухи клапанов и другие
детали.
Рассмотрим технологический процесс изготовления корпуса отстойника для автомобиля. Последовательность операций представлена на рис. 3. 22. Корпус отстойника изготавливается из стали 0,8
КП, толщина листа 1,8 мм, ширина ленты 190 мм, ГОСТ. 503 – 71.
97
1-я операция - вытяжка
∅30
45°
R4
3-я операция - формовка
∅86
4-я операция - правка
R4 ∅30
45°
45°
∅19
0
R2
R
3
85
R20
R
3
R4 ∅30
∅86
R
3
R
3
∅86
85
45°
R20
85
9
2-я операция - вытяжка
R4 ∅30
85
R
43
R
∅86
88
R9
1,8
69,4
20
R
∅92
∅95-0,46
∅95 -0,46
5-я операция - правка
6-я операция - пробивка
R4 ∅30
∅19
0
R2
R3
85
45°
∅95 -0,46
Рис. 3.22. Последовательность
операций листовой
штамповки при изготовлении корпуса отстойника для автомобиля
7-я операция - правка
98
Первой операцией является вырубка. Диаметр вырубаемой заготовки 182 мм. Коэффициент использования металла при этом подсчитывается как отношение площади заготовки диаметром 182 мм
(Fзаг) к площади расходуемого куска ленты (Fмет) и составляет
Ku =
Fзаг
= 0 ,6 .Штамповочная операция включает следующие
Fмет
переходы:
первая вытяжка заготовки ∅ 92 мм на высоту 69,4 мм;
вторая вытяжка по ∅ 86 мм и сфере R 43 мм на высоту 88 мм;
формовка конуса под углом 45° и площадки ∅ 30 мм;
правка фланца;
обрезка фланца по ∅ 95-0,46мм;
пробивка отверстия ∅ 19 мм;
правка фланца и плоскости ∅ 30 мм (выдержать размеры: ∅
85 мм и ∅ 95-0,46мм).
Штамповка корпуса отстойника производится на многопозиционном
листоштамповочном автомате усилием 350 тс. Принцип работы автомата состоит в следующем. Рулон ленты надевается на барабан разматывающего устройства, расположенного позади пресса. Взаимное
расположение ленторазматывающего устройства, листоправителя и
пресса многопозиционного автомата показано на рис. 3.23. Лента подается роликовой подачей через правильное устройство в зону первой рабочей позиции пресса, где проводится вырубка заготовки. Передача заготовки на позицию вытяжки и далее производится за счет
грейферной подачи. Грейферное устройство представляет собой две
линейки, расположенные вдоль рабочего фронта автомата симметрично его оси. Они перемещаются возвратно-поступательно в двух
направлениях вдоль фронта пресса и перпендикулярно к нему. Свои99
ми захватами они передают заготовку с позиции на позицию. Все рабочие позиции оснащены выталкивающими и прижимными устройствами, поэтому после выполнения соответствующей операции полуфабрикат оказывается на уровне захватов грейферных линеек.
Рис. 3.23. Лентоподающий узел листоштамповочного автомата: 1 –
ленторазматывающее устройство; 2 – листоправильное
устройство; 3 – роликовая подача; 4 – ось пресса
Многопозиционный автомат имеет 11 рабочих позиций (включая
вырубную). При штамповке корпуса отстойника используется только
8 рабочих позиций пресса. Операции первой вытяжки, второй вытяжки, формовки, правки, обрезки, пробивки и вторичной правки выполняются соответственно на третьей, четвертой, пятой, шестой, восьмой, девятой и десятой позициях пресса (рис. 3.24). Такое распределение объектов по позициям способствует равномерному нагружению пресса.
100
Отштампованные заготовки транспортируются
к правому концу пресса
Зигзагный
шаг подачи
1-й процесс
Вырубка
3-й процесс 4-й процесс 5-й процесс 6-й процесс
Правка
II вытяжка
Правка
Обрезка
108
16,7
2-й процесс
I вытяжка
2
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
250 250
Ширина
рулонной
полосы
700
Направление
движения рулонной полосы
∅19,5
2500
Подштамповая плита
Направление подачи
Рис. 3.24. Схема устройства подштамповой плиты многопозиционного листоштамповочного автомата
За каждый ход автомата производится вырубка одной заготовки
и выдача одной готовой детали.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов. / Под общей
ред. А.М. Дальского. - М.: Машиностроение, 1993. - 448 С.
2. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т. Т. 1 / Под общей ред.
Е. И. Семенова. - М.: Машиностроение, 1985. - 567 с.
3. Суворов И. К. Обработка металлов давлением. -М.: Высшая
школа, 1973. - 357 с.
4. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. -М.: Ме101
таллургия, 1978. - 357 с.
5. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Ю.П. Солнцева. - М.: МИСиС,
1996. - 596 с.
6. Маслакова Л. П. Применение обработки давлением в автотракторостроении. -М.: МАДИ, 1984. - 64 с.
7. Маслакова Л. П. Прогрессивные процессы обработки давлением в автотракторостроении. -М.: МАДИ, 1980. - 81 с.
102
ОГЛАЛЕНИЕ
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ……………………………………….. 3
1. ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ
ДАВЛЕНИЕМ ………………………………………………….……… 3
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ …………………………………………………..….…. 5
2.1. Механизм пластической деформации металла ….…. 5
2.2. Наклеп и рекристаллизация …………………………….. 8
2.3. Виды деформации при обработке давлением …….... 12
2.4. Факторы, влияющие на пластичность металлов ... 13
2.5. Влияние горячей деформации на структуру и свойства металла …………..………………….……….. 22
3. ВЕЛИЧИНА ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ОБРАБОТКЕ
ДАВЛЕНИЕМ ………….………………………………………………. 23
4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ….. 25
4.1. Закон постоянства объема ……………………………. 26
4.2. Закон сдвигающих напряжений ……..…………………. 28
4.3. Закон наименьшего сопротивления ………………….. 29
4.5. Закон подобия ……………………………………………... 31
5. НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПЕРЕД ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ ….. 32
5.1. Температурный интервал обработки металлов давлением …………….………………………………………… 33
5.2. Скорость и время нагрева ………………………….….. 35
5.3. Нагревательные устройства ………………………… 40
5.4. Борьба с окислением и обезуглероживанием металла
при нагреве. Безокислительный нагрев ………………….. 44
103
ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ
ПРОФИЛЕЙ …………………………………………………….….... 48
1. ОСНОВЫ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА ………………...... 48
2. ПРЕССОВАНИЕ ………………………..………………………..… 57
3. ВОЛОЧЕНИЕ ………………………………………………..……… 59
ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ФАСОННЫХ ЗАГОТОВОК ….… 62
1. КОВКА ……………………………………………………….….…… 62
2. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА ……………………..…... 67
3. ПРОГРЕССИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ
ШТАМПОВКИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ ………………..……. 75
3.1. Автоматический комплекс для горячей объемной
штамповки ……………………………………………...………. 76
3.2. Ковочные автоматы для прецизионной
штамповки…………………………………………………….… 79
3.3. Поперечно-клиновая прокатка поковок ………..…….. 82
3.4. Термопластическое деформирование……………..…. 88
4. ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА ……………………..…………………. 92
5. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ ……... 96
ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………… 102
104
Любовь Петровна МАСЛАКОВА
Дмитрий Сергеевич ФАТЮХИН
ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В
АВТОТРАКТОРОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Редактор В. В. Солопова
Технический редактор Н. Е. Знаменская
Тем. План 2002 г., п. 46
Подписано в печать
Печать офсетная
Тираж 500 экз.
Усл. печ. л. 6,0
Заказ
Формат 60х84х16
Уч. – изд. л. 5,2
Цена 24руб.
Ротапринт МАДИ(ГТУ). 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
105