XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019
Современные способы получения заготовок обработкой давлением.
Любая машина (двигатель, орудие, преобразователь) собирается из деталей которые изготавливаются без применения сборочных операций. От качества детали зависит надёжность и долговечность машины. Качество детали определяется заготовкой которую можно получить различными способами: обработкой резанием, обработкой давлением, листовой штамповкой, объёмной штамповкой. [1]
Обработка металлов давлением — технологический процесс получения заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента на обрабатываемый материал. В настоящее время более 90% всей выплавленной стали и более половины цветных металлов и сплавов подвергают обработке давлением. Обработка давлением существенно отличается от других способов обработки, поскольку в процессе пластической деформации металл получает не только новую форму, но и меняет свою структуру и физико-механические свойства.
Целью данной статьи является анализ технологий, используемых при получении заготовок обработкой давлением. В данной статье рассмотрены и проанализированы такие способы получения заготовок обработкой давлением, как: прокатка, ковка, объёмная штамповка, листовая штамповка, прессование, волочение.
Главной задачей обработки давлением является усовершенствование производства каких либо машин и агрегатов, которая, в свою очередь, позволит повысить производительность труда при меньших затратах (рабочей силы, сырья, энергии, необходимой для реализации производства), повысить качество выпускаемой продукции и при всем этом минимизировать негативное воздействие на окружающую среду.
Роль обработки заготовок давлением в современном машиностроении
Современная обработка давлением позволяет получать детали или их полуфабрикаты в виде заготовок, близких по форме к готовым деталям, с большой производительностью и малыми отходами. Металл подвергается пластической деформации как в холодном, так и в горячем состоянии. В процессе пластического деформирования изменяется структура металла и повышаются его механические свойства. Поэтому наиболее тяжелонагруженные детали машин изготовляются обработкой давлением. [2]
Способы получения заготовок обработкой давлением.
При прокатном производстве выделяют прокат чёрных и цветных металлов, при этом прокат из стали имеет превалирующее положение.
Прокат можно разделить на три способа:
Рисунок 1 — Схемы прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно-винтовая
При продольной прокатке деформирование заготовки осуществляется между вращающимися в разные стороны валками. Из простейшей схемы поперечной прокатки видно, что оси прокатных валков и обрабатываемой заготовки параллельны (или пересекаются под небольшим углом). Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечиваются соответствующей профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят изделия, представляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни и пр.). Поперечно-винтовая, или косая прокатка, выполняется во вращающихся в одном направлении валках, установленных в прокатной клети под некоторым углом друг к другу. Станы косой прокатки используют при производстве труб, главным образом, для прошивки слитка или заготовки в гильзу. В момент соприкосновения металла с вращающимися валками, имеющими наклон к оси обрабатываемой заготовки, возникают силы, направленные вдоль оси заготовки, и силы, направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил обеспечивает вращение, втягивание обрабатываемой заготовки в суживающую щель и деформирование.[2]
Прессованием называют выдавливание металла из замкнутого объема через отверстие. Широко используют прессование для получения прутков, труб и профилей из алюминиевых и медных сплавов, сталей, титана и других тугоплавких металлов. В качестве разновидностей прессования можно выделить дискретное (прерывное), полунепрерывное и непрерывное прессовании[3] По виду привода и способу действия прессы бывают гидравлические и механические. На прессах в отличие от молотов обрабатывают заготовку безударным давлением. Прессы применяют для прессования, гибки, правки, резки, выдавливания и вытягивания листового металла, а также соединения деталей под большим давлением. Причем прессы применяют для прессования (формования) деталей из различных материалов, в частности, из металлов и сплавов /34/, пластмасс и порошков.[4]
Последовательность процесса прессования приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Последовательность процессов прессования
При реализации процесса прессования ( рис. 8) на прутковопрофильном прессе с подвижным контейнером заготовку 3 с пресс-шайбой 2 подают на ось контейнера 4 и движением вперед пресс-штемпеля 1 вводят в контейнер с передней стороны. Выходная сторона контейнера замкнута матрицедержателем 6 с матрицей 5 (рис. 8, а, позиция I). [8]После ввода слитка в контейнер до упора осуществляют его распрессовку,непосредственным продолжением которой является прессование (выдавливание) изделия 7 (рис. 8, а, позиция II). По окончании выдавливания контейнер отводят назад. При этом пресс-остаток 9 с пресс-шайбой 2 остаются висеть у матрицы 5. Движением ножа 8 вниз изделие отделяют от пресс-пакета (т. е. от прессостатка с пресс-шайбой), который падает на желоб и передается к механизму разделки пакета (рис. 8, а, позиция III). Изделия тянущим устройством выдергивают из матрицы, и контейнер возвращают в исходное состояние.
При прямом прессовании труб после загрузки слитка 3 и пресс-шайбы 2 в контейнер 4 (рис. 8, б, позиция I) осуществляют его распрессовку. При этом иглу 10, находящуюся внутри полого пресс-штемпеля 1, немного выдвигают вперед и запирают отверстие пресс-шайбы 2 (рис. 8, б, позиция II). После распрессовки снимают давление с пресс-штемпеля и прошивают слиток (позиция III). Затем подают рабочее давление к пресс-штемпелю и слиток выдавливают в кольцевой зазор между иглой 10 и матрицей 5 (рис. 8, б, позиция IV). Пресс-пакет отрезается пилой 11 и ножницами (рис. 8, б, позиция V).[2]
Полунепрерывное прессование в настоящее время является одной из основных схем по производству пресс-изделий из алюминиевых сплавов, характерной чертой которого является использование специального форкамерного инструмента, обеспечивающего прессование со стыковой сваркой и натяжением. Характерным для такого процесса является снижение высокой степени деформации за счет ее дробления при последовательном выдавливании объема металла сначала из основного контейнера в промежуточный инструментальный блок, а затем из промежуточного блока в матрицу.
При реализации процесса прямого прессования на гидравлических прессах в большинстве случаев роль промежуточного инструментального блока выполняет специальный инструмент, называемый форкамерой. [5]
Рисунок 3 — Схема очага деформации при полунепрерывном прессовании с использованием форкамеры.
Достоинством такого способа является то, что в настоящее время большинство передовых заводов в нашей стране и за рубежом используют эту технологию при производстве алюминиевых профилей из мягких деформируемых сплавов.
Волочением называют пластическую деформацию при протягивании проволоки, прутка, профиля, трубы через сужающийся канал инструмента (волоки). Усилие растяжения, приложенное к выходящему из волоки концу изделия, расходуется на формоизменение заготовки и преодоление сил трения о канал волоки. Обжатие за проход ограничено прочностью выходящего конца изделия и, как следствие, обрывом металла. Различают волочение на цепных станах (для получения труб, прутков и профилей ограниченной длины) и волочение на станах барабанного типа (для получения длинномерной продукции, например, проволоки).[7]
В цепном волочильном стане (рис. 4) передний конец прутка или трубы 1 проталкивается через волоку 2 и захватывается клещами каретки 3. Каретка сцепляется с пластинчатой цепью 4, перематываемой с помощью привода 5. На входной стороне стана имеется приспособление для подачи и удержания стержня оправки.
Рисунок 4 — Схема цепного волочильного стана
Ковка – это процесс обработки металлов давлением, при котором необходимое изменение форм и размеров заготовок достигается путем ударов или нажимов бойками, не ограничивающих течение металла в плоскости перпендикулярной оси приложения давления. К достоинствам ковки относится возможность обрабатывать давлением крупные слитки, масса которых достигает нескольких сотен тонн, улучшая структуру и механические свойства обрабатываемого металла и исправляя дефекты литого металла. В качестве исходного материала для ковки применяют стали всех марок, алюминиевые, магниевые, титановые сплавы, а также сплавы на основе меди и никеля.[6]
К достоинству ковки относят возможность с помощью простого и дешевого инструмента изготовлять поковки разнообразной формы и размеров любой массы (от гаек и болтов до коленчатых валов современных кораблей). Главным преимуществом процесса ковки является возможность обрабатывать крупные слитки и заготовки.
Штамповка – это формоизменение металла в штампах, форма которых приближается к форме готовой детали или точно ей соответствует. Различают холодную и горячую объемную штамповку. Последняя проводится при температуре заготовок выше температуры рекристаллизации обрабатываемого металла или сплава. Штамповка в отличие от ковки позволяет металлу претерпевать деформацию по трем осям и получать фиксированные размеры в объеме. [4] К преимуществам штамповки относятся: небольшое число обжатий, высокая производительность, малоотходность по сравнению с ковкой и обработкой резанием. Себестоимость штамповки в 2-3 раза ниже себестоимости изготовления детали резанием. Однако эти преимущества реализуются только в серийном специализированном производстве из-за большой стоимости штампов. В развитых промышленных странах горячей объемной штамповкой изготовляют по 1–1,5 млн т в год стальных поковок.
Листовая штамповка – это один из наиболее прогрессивных видов производства. Она имеет ряд технологических и экономических преимуществ перед другими способами обработки металлов давлением, а именно: – получение жестких и прочных деталей малого веса и сложной формы; – высокая производительность на основе автоматизации; – экономное использование материала; – низкая стоимость изделий. Изделия штампуют из полосовой, листовой или ленточной заготовок сталей, цветных металлов, металлов с пластмассовыми покрытиями. По способу пластической деформации штамповку листа подразделяют на резку, гибку, вытяжку и формовку (см. ниже). В зависимости от толщины заготовки различают тонколистовую (до 4 мм) и толстолистовую штамповку; заготовки толщиной более 15–20 мм штампуют в горячем состоянии.[3] В одном штампе обычно экономически выгодно совмещать несколько операций штамповки. По способу совмещения операций различают штамповку: – совмещенную, которая осуществляется в несколько операций одновременно за один ход пресса и за одну установку заготовки в штампе; – последовательную – осуществляется, когда несколько операций осуществляются последовательно отдельными пуансонами за несколько ходов пресса при перемещении заготовки между ними, так что за каждый ход пресса получается готовая деталь; – совмещено-последовательную, где комбинируются первые два варианта.
В данной статье рассмотрены следующие способы обработки заготовок давлением:
штамповка, листовая штамповка, ковка, полунепрерывное прессование, прессование, прокат, продольный прокат. Каждый из способов проанализирован с перспективой на сегодня. По итогу можно сказать, что каждый из этих способов востребован. Так как каждый способ даёт такие результаты, как: Получение заготовок с высокими механическими и технологическими свойствами за счёт изменения кристаллической решётки и физико-механических свойств материала. Возможность получения готовых изделий без последующей обработки резанием. Высокая производительность процесса. Но у каждого способа есть недостатки: Ограничения по массе, габаритам и материалу (необходима хорошая пластичность). В ряде случаев – значительные отходы материала и, как следствие, малый КИМ. В ряде случаев – высокая стоимость оснастки.
Источник
ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ
Общие сведения об обработке металлов давлением (ОМД)
Обработкой давлением называются процессы получения заготовок или деталей машин силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из исходного материала.
Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.
Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия.
Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.
Классификация процессов обработки давлением
Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом.
По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:
– для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;
– для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.
Основными схемами деформирования объемной заготовки являются:
– сжатие между плоскостями инструмента – ковка;
– ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;
– затекание металла в полость инструмента – штамповка;
– выдавливание металла из полости инструмента – прессование;
– вытягивание металла из полости инструмента – волочение.
Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С.И. предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки давлением.
Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.
Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.
При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.
При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.
Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.
Схемы напряженного и деформированного состояний
Схемы напряженного состояния графически отображают наличие и направление главных напряжений в рассматриваемой точке тела.
Напряжения в точке изображаются как напряжения на трех бесконечно малых гранях куба, соответственно перпендикулярных главным осям.
Возможны девять схем напряженного состояния (рис. 9.1.а). Напряженное состояние в точке может быть линейным, плоским или объемным.
Рис. 35. Схемы напряженного (а) и деформированного (б) состояний:
I – линейное напряженное состояние; II – плоское; III – объемное
Схемы с напряжениями одного знака называют одноименными, а с напряжениями разных знаков – разноименными. Условно растягивающие напряжения считают положительными, с сжимающие – отрицательными.
Схема напряженного состояния оказывает влияние на пластичность металла. На значение главных напряжений оказывают существенное влияние силы трения, возникающие в месте контакта заготовки с инструментом, и форма инструмента. В условиях всестороннего неравномерного сжатия при прессовании, ковке, штамповке сжимающие напряжения препятствуют нарушению межкристаллических связей, способствуют развитию внутрикристаллических сдвигов, что благоприятно сказывается на процессах обработки металлов давлением. В реальных процессах обработки давлением в большинстве случаев встречаются схемы всестороннего сжатия и состояния с одним растягивающим и двумя сжимающими напряжениями.
Схема деформированного состояния графически отображает наличие и направление деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям.
Возможны три схемы деформированного состояния (рис. 35.б).
При схеме Д I уменьшаются размеры тела по высоте, за счет этого увеличиваются два других размера (осадка, прокатка).
При схеме Д II происходит уменьшение одного размера, чаще высоты, другой размер (длина) увеличивается, а третий (ширина) не изменяется. Например, прокатка широкого листа, когда его ширина в процессе прокатки практически не изменяется. Это схема плоской деформации.
Наиболее рациональной с точки зрения производительности процесса обработки давлением является схема Д III: размеры тела уменьшаются по двум направлениям, и увеличивается третий размер (прессование, волочение).
Совокупность схем главных напряжений и главных деформаций характеризуют пластичность металла. Напряженное состояние при прессовании металла характеризуется такой же схемой напряженного состояния, как при ковке, а схема главных деформаций характеризуется двумя деформациями сжатия и одной – растяжения. При ковке и штамповке растягивающие напряжения играют большую роль, поэтому пластичность металла меньше.
Закономерности обработки давлением. Характеристики деформаций
Процессам обработки металлов давлением присущи определенные закономерности.
Закон постоянства объема. Пластическая деформация практически не влияет на плотность металла, поэтому действует закон постоянства объема: объем тела при его пластической деформации остается неизменным:
– высота;
– ширина;
– длина – размеры тела до деформации;
– высота;
– ширина;
– высота – размеры тела после деформации.
Закон применяется для расчетов объема и размеров исходной заготовки, необходимой для получения поковки с заданными размерами, а также переходов и изменения размеров заготовки в процессе деформирования.
Закон подобия. При осуществлении в одинаковых условиях одних и тех же процессов пластического деформирования геометрически подобных тел из одинакового материала отношение усилий деформирования равно квадрату, а отношение затраченных работ – кубу отношений соответствующих линейных размеров. Этот закон, основанный на принципе моделирования, используется для приближенного определения усилий деформирования и затрачиваемой работы.
Закон наименьшего сопротивления. В случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая точка перемещается в направлении наименьшего сопротивления.
Закон позволяет учесть предпочтительное направление течения металла, определить, какая часть полости штампа заполнится быстрее, какие размеры и форму будет иметь поперечное сечение заготовки в результате ее обработки давлением.
По этому закону, при наличии трения на контактной поверхности, заготовка прямоугольного сечения при осадке будет приобретать округлую форму, имеющую наименьший периметр при данной площади.
В этом случае направлением наименьшего сопротивления является кратчайшая нормаль к периметру сечения.
Деформацию принято оценивать следующими величинами.
1. Абсолютные деформации:
– обжатие;
– уширение;
– удлинение.
2. Относительные деформации:
или 
– относительное обжатие или относительная высотная деформация;
или 
– относительное уширение или относительная поперечная деформация;
или 
– относительное удлинение или относительная продольная деформация.
3. Коэффициент, определяющий изменение длины обрабатываемого изделия – 
. Его называют вытяжкой или коэффициентом вытяжки.
Согласно закону постоянства объема 
(где: 
– площадь поперечного сечения до деформации, 
– площадь поперечного сечения после деформации).
Скорость деформации – изменение относительной деформации в единицу времени:
,
где: 
– степень деформации; 
– время.
Скорость деформации следует отличать от скорости движения деформирующего инструмента и скорости течения металла при деформации. Диапазон скоростей деформации составляет 10 –1 … 10 3 , с –1 .
При выборе металла или сплава для изготовления изделия различными способами обработки давлением учитывается способность материала к данному методу обработки.
Ковкость – свойство металла изменять свою форму под действием ударов или давления, не разрушаясь.
Степень ковкости зависит от многих параметров. Наиболее существенным из них является пластичность, характеризующая способность материала деформироваться без разрушения. Чем выше пластичность материала, тем большую степень суммарного обжатия он выдерживает.
В условиях обработки металлов давлением на пластичность влияют многие факторы: состав и структура деформируемого металла, характер напряженного состояния при деформации, неравномерность деформации, скорость деформации, температура деформации и др. Изменяя те или иные факторы, можно изменять пластичность.
Состав и структура металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности.
Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.
Характер напряженного состояния. Один и тот же материал проявляет различную пластичность при изменении схемы напряженного состояния. Еще в 1912 году немецкий ученый Карман осаживал образцы из мрамора и песчаника, помещенные в толстостенный цилиндр, в который нагнетался глицерин под давлением до 170 МН/м 2 . Деформация происходила при схеме всестороннего сжатия. В результате остаточная деформация образцов составила 9 %, в дальнейшем удалось достигнуть деформации в 78 %. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Появление в схеме растягивающих напряжений снижает пластичность. Самая низкая пластичность наблюдается при схеме всестороннего растяжения.
Неравномерность деформации. Чем больше неравномерность деформации, тем ниже пластичность. Неравномерность деформации вызывает появление дополнительных напряжений. Растягивающие напряжения всегда снижают пластичность и способствуют хрупкому разрушению. Кроме того, неравномерность напряженного состояния понижает механическую прочность материала, так как напряжения от внешней нагрузки суммируется с остаточными растягивающими напряжениями, то разрушение наступает при меньшей нагрузке.
Скорость деформации. С повышением скорости деформации в условиях горячей деформации пластичность снижается. Имеющаяся неравномерность деформации вызывает дополнительные напряжения, которые снимаются только в том случае, если скорость разупрочняющих процессов не меньше скорости деформации.
Влияние температуры. Качественная зависимость пластичности от температуры представлена на рис.9.2.
Рис. 36. Влияние температуры на пластичность сталей
Влияние температуры неоднозначно. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, с повышением температуры, становятся более пластичными (1). Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии (2). Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры (3) . Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности (4). Техническое железо в интервале 800…1000 0 С характеризуется понижением пластических свойств (5). При температурах, близких к температуре плавления пластичность резко снижается из-за возможного перегрева и пережога.
1. Прокат и его производство
Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распростран¨нный. Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.
Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом, она уменьшается в сво¨м поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.
Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила 
и касательная сила трения 
(рис. 37).
Рис. 37. Схема сил, действующих при прокатке
Угол 
– угол захвата, дуга, по которой валок соприкасается с прокатываемым металлом – дуга захвата, а объ¨м металла между дугами захвата – очаг деформации.
Возможность осуществления прокатки определяется условием захвата металла валками или соотношением 
,
где: 
– втягивающая сила — проекция силы трения на горизонтальную ось; 
– выталкивающая сила – проекция нормальной реакции валков на горизонтальную ось.
При этом условии результирующая сила будет направлена в сторону движения металла.
Условие захвата металла можно выразить: 
Выразив силу трения через нормальную силу и коэффициент трения : 
, и, подставив это выражение в условие захвата, получим:
или 
.
Таким образом, для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.
Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках.
При прокатке стали = 20…25 0 , при горячей прокатке листов и полос из цветных металлов – = 12…15 0 , при холодной прокатке листов – = 2…10 0 .
Степень деформации характеризуется показателями:
– абсолютное обжатие: 
( 
– начальная и конечная высоты заготовки);
относительное обжатие: 
Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. Поэтому для определения деформации (особенно когда обжатие по сечению различно) используют показатель, называемый вытяжкой (коэффициентом вытяжки).
где: 
– первоначальные длина и площадь поперечного сечения, 
– те же величины после прокатки.
Вытяжка обычно составляет 1,1…1,6 за проход, но может быть и больше.
Когда требуется высокая прочность и пластичность, применяют заготовки из сортового или специального проката. В процессе прокатки литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за сч¨т залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это прида¨т заготовкам из проката высокую прочность и герметичность при небольшой их толщине.
Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рис. 38).
Рис. 38. Схемы основных видов прокатки:
а – продольная; б – поперечная; в – поперечно – винтовая
При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис. 38.а). Заготовка втягивается в зазор между валками за сч¨т сил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат.
Поперечная прокатка (рис. 38.б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.
В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.
Поперечно – винтовая прокатка (рис. 38.в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под углом друг другу. Прокатываемый металл получает ещ¨ и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок.
В качестве инструмента для прокатки применяют валки прокатные, конструкция которых представлена на рис. 39. В зависимости от прокатываемого профиля валки могут быть гладкими (рис.39.а), применяемыми для прокатки листов, лент и т.п. и калиброванными (ручьевыми) (рис. 39.б) для получения сортового проката.
Ручей – профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями называются буртами. Совокупность двух ручь¨в образует полость, называемую калибром, каждая пара валков образует несколько калибров. Система последовательно расположенных калибров, обеспечивающая получение требуемого профиля заданных размеров называется калибровкой.
Рис. 39. Прокатные валки: а – гладкий ; б – калиброванный
Валки состоят из рабочей части – бочки 1, шеек 2 и трефы 3.
Шейки валков вращаются в подшипниках, которые, у одного из валков, могут перемещаться специальным нажимным механизмом для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения осей.
Трефа предназначена для соединения валка с муфтой или шпинделем.
Используются роликовые подшипники с низким коэффициентом трения, = 0,003…0,005, что обеспечивает большой срок службы.
Технологический процесс прокатки
Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки.
Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии. Начинается в горячем состоянии и проводится до определ¨нной толщины заготовки. Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодном виде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячая обработка затруднена).
Основными технологическими операциями прокатного производства являются подготовка исходного металла, нагрев, прокатка и отделка проката.
Подготовка исходных металлов включает удаление различных поверхностных дефектов (трещин, царапин, закатов), что увеличивает выход готового проката.
Нагрев слитков и заготовок обеспечивает высокую пластичность, высокое качество готового проката и получение требуемой структуры. Необходимо строгое соблюдение режимов нагрева.
Основное требование при нагреве: равномерный прогрев слитка или заготовки по сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время с наименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива.
Температуры начала и конца горячей деформации определяются в зависимости от температур плавления и рекристаллизации. Прокатка большинства марок углеродистой стали начинается при температуре 1200…1150 0 С, а заканчивается при температуре 950…900 0 С.
Существенное значение имеет режим охлаждения. Быстрое и неравномерное охлаждение приводит к образованию трещин и короблению.
При прокатке контролируется температура начала и конца процесса, режим обжатия, настройка валков в результате наблюдения за размерами и формой проката. Для контроля состояния поверхности проката регулярно отбирают пробы.
Отделка проката включает резку на мерные длины, правку, удаление поверхностных дефектов и т.п. Готовый прокат подвергают конечному контролю.
Процесс прокатки осуществляют на специальных прокатных станах.
Прокатный стан – комплекс машин для деформирования металла во вращающихся валках и выполнения вспомогательных операций (транспортирование, нагрев, термическая обработка, контроль и т.д.).
Оборудование для деформирования металла называется основным и располагается на главной линии прокатного стана (линии рабочих клетей).
Главная линия прокатного стана состоит из рабочей клети и линии привода, включающей двигатель, редуктор, шестеренную клеть, муфты, шпиндели.
Рис.40. Схема главной линии прокатного стана
1 – прокатные валки; 2 – плита; 3 – трефовый шпиндель; 4 – универсальный шпиндель;
5 – рабочая клеть; 6 – шестеренная клеть; 7 – муфта; 8 – редуктор; 9 – двигатель
Прокатные валки 1 установлены в рабочей клети 5, которая воспринимает давление прокатки. Определяющей характеристикой рабочей клети являются размеры прокатных валков: диаметр (для сортового проката) или длина (для листового проката) бочки. В зависимости от числа и расположения валков в рабочей клети различают прокатные станы: двухвалковые (дуо-стан), трехвалковые (трио-стан), четырехвалковые (кварто-стан) и универсальные (рис. 40).
В двухвалковых клетях (рис. 41.а) осуществляется только по одному пропуску металла в одном направлении. Металл в трехвалковых клетях (рис. 41.б) движется в одну сторону между нижним и верхним, а в обратную – между средним и верхним валками.
В четырехвалковых клетях (рис. 41.в) устанавливаются опорные валки, которые позволяют применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижаются деформирующие усилия.
Универсальные клети (рис. 41.г) имеют неприводные вертикальные валки, которые находятся между опорами подшипников горизонтальных валков и в одной плоскости с ними.
Шестеренная клеть 6 предназначена для распределения крутящего момента двигателя между валками. Это одноступенчатый редуктор, передаточное отношение которого равно единице, а роль шестерен выполняют шестеренные валки.
Шпиндели предназначены для передачи крутящего момента от шестеренной клети прокатным валкам при отклонении от соосности до 10…12 0 . При незначительном перемещении в вертикальной плоскости применяют шпиндели трефового типа 3 в комплекте с трефовой муфтой. Внутренние очертания трефовых муфт отвечают форме сечения хвостовика валка или шпинделя. Муфтой предусмотрен зазор 5…8 мм, что допускает возможность работы с перекосом 1…2 0 . При значительных перемещениях валков в вертикальной плоскости ось шпинделя может составлять значительный угол с горизонтальной плоскостью, в этом случае применяют шарнирные или универсальные шпиндели 4, которые могут передавать крутящий момент прокатным валкам при перекосе шпинделя до 10…12 0 .
Рис. 41. Рабочие клети прокатных станов
В качестве двигателя прокатного стана 9 применяют двигатели постоянного и переменного тока, тип и мощность зависят от производительности стана.
Редуктор 8 используется для изменения чисел оборотов при передаче движения от двигателя к валкам. Зубчатые колеса – обычно шевронные с наклоном спирали 30 0 .
По назначению прокатные станы подразделяют на станы для производства полупродукта и станы для выпуска готового проката.
Нагрев металла осуществляют в пламенных и электрических печах. По распределению температуры печи могут быть камерные и методические. В камерных печах периодического нагрева температура одинакова по всему рабочему пространству. В методических печах температура рабочего пространства постоянно повышается от места загрузки заготовок до места их выгрузки. Металл нагревается постепенно, методически. Печи характеризуются высокой производительностью. Применяются в прокатных и кузнечно-штамповочных цехах для нагрева слитков из цветных металлов. Крупные слитки перед прокаткой нагревают в нагревательных колодцах – разновидности камерных, пламенных печей.
В качестве транспортных устройств в прокатном производстве используют:
· слитковозы и различного вида тележки для подачи слитков и заготовок от нагревательных устройств к стану;
· рольганги – основное транспортное средство прокатных цехов (транспортеры с последовательно установленными вращающимися роликами обеспечивают продольное перемещение металла; при косом расположении роликов возникает возможность поперечного движения полосы);
· манипуляторы, предназначенные для правильной задачи полосы в калибр;
· кантователи, предназначенные для поворота заготовки вокруг горизонтальной оси.
Изделия, полученные прокаткой, часто требуют правки. Иногда правку выполняют в горячем состоянии, например, при производстве толстых листов. Но обычно в холодном состоянии, так как последующее охлаждение после горячей правки может вызвать дополнительное изменение формы.
Процесс правки заключается в однократном или многократном пластическом изгибе искривленных участков полосы, каждый раз в обратном направлении.
Правку можно выполнять и растяжением полосы, если напряжения растяжения будут превышать предел текучести материала.
Роликоправильные машины с параллельно расположенными роликами предназначены для правки листа и сортового проката (рис. 42)
Рис. 42. Схема правки проката на роликоправильных машинах с параллельно расположенными роликами
Процесс правки заключается в прохождении полосы между двумя рядами последовательно расположенных роликов, установленных в шахматном порядке таким образом, что при движении полосы, ее искривление устраняется. Диаметр роликов – 25…370 мм, шаг – 30…400 мм, количество роликов: для тонких листов – 19…29, для толстых – 7…9.
Правильные машины с косо расположенными гиперболоидальными роликами предназначены для правки труб и круглых прутков (рис. 43).
Рис. 43. Схема правки проката на машинах с косо расположенными гиперболоидальными роликами
Ролики выполняют в виде однополостного гиперболоида и располагают под некоторым углом друг к другу. Выправляемый металл, кроме поступательного движения, совершает вращательное, что вызывает многократные перегибы полосы роликами и обеспечивает осесимметричную правку.
Растяжные правильные машины используют для правки тонких листов (менее 0,3 мм), трудно поддающихся правке на роликоправильных машинах.
Разрезка и заготовительная обработка проката
Производится на заготовительных участках механических цехов различными способами, отличающимися производительностью, точностью заготовки, стойкостью инструмента и др.
Разрезка пилами применяется для относительно крупных заготовок, в основном из цветных металлов. Заготовка характеризуется высокой точностью по длине, хорошим качеством среза, перпендикулярностью торца к оси. Основными недостатками являются низкая производительность и значительные потери металла на рез.
Применяются пилы зубчатые и гладкие (трения).
Разрезка на эксцентриковых пресс-ножницах применяется для стального проката круглого или квадратного сечения до 300 мм. Является наиболее производительным и дешевым процессом разделки проката на заготовки. Основными недостатками являются косой рез и смятие концов заготовки.
Заготовки из высокоуглеродистых и легированных сталей целесообразно подогреть до 450…650 0 С.
Применяют ножи с плоской режущей кромкой и с ручьями.
Разрезка на токарных полуавтоматах отрезными резцами.
Электроискровая и анодно-механическая резка обеспечивает максимальную точность размеров. Применяется для особо прочных металлов.
Разрезка на прессах-хладоломах применяется для заготовок крупного сечения. На заготовке предварительно делается надрез пилой или газовым резаком.
Газопламенная разрезка смесью ацитилена и кислорода.
Плазменно-дуговая разрезка применяется для высоколегированных тугоплавких сталей и сплавов. Вдоль электрической дуги по каналу плазмотрона пропускается газ (аргон), который сжимает дугу и выходит из сопла в виде плазмы с температурой 10000…30000 0 С.
Дата добавления: 2016-05-16 ; просмотров: 6270 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
