15.1. Значение и сущность обработки давлением

Сокращение непроизводительных потерь материалов, снижение трудоемкости и энергозатрат при различных видах механической обработки достигается, главным образом, за счет внедрения новых экономичных методов формообразования, металлосберегающих технологий, характеризующихся минимальными отходами и потерями металла.

К таким технологическим процессам обработки можно отнести многие процессы обработки металлов давлением.

Обработка давлением относится к заготовительной фазе изготовления машин и механизмов и является одним из важнейших производственных процессов в металлообработке.

Обработка давлением благодаря высоким скоростям процесса и одновременному деформированию всего объема заготовки или значительной части ее обеспечивает по сравнению с другими методами обработки высокую производительность труда. Например, при прокате скорость выпуска готовой продукции достигает 20…30м/с, при холодной штамповке на одном пресс-автомате производится 1300…1500 мелких деталей в минуту. Отходы металла при этом незначительны и не превышают 15…20% при объемной и 5…10% при листовой штамповке.

Многие процессы обработки давлением не требуют исполнителей высокой квалификации, легко поддаются механизации и автоматизации и позволяют обеспечивать сравнительно высокую точность обработки. Например, методом прокатки можно получить фольгу толщиной 2…3 мкм, а листовой штамповкой получают готовые детали, поступающие непосредственно на сборку.

Однако многие операции обработки давлением, например, объемная и листовая штамповка, отличаются значительным расходом дорогих высококачественных инструментальных сталей для изготовления рабочих инструментов – штампов. Кроме того, кузнечные штампы характеризуются большим разнообразием конфигураций и размеров рабочей полости и требуют для изготовления формообразующих элементов (матриц) больших затрат высококвалифицированного труда станочников и слесарей-инструментальщиков. При этом используется сложное и дорогостоящее оборудование и инструменты, а многие операции выполняются вручную.

По отношению к стоимости оборудования затраты на технологическую оснастку составляют в кузнечно-штамповочном производстве 25…35%, а удельный вес расходов на нее в себестоимости поковок и штамповок достигает иногда 8…15%. Доля простоев технологического оборудования из-за замены или наладки инструментальной оснастки составляет 20…25%.

Обработкой давлением называют группу технологических процессов изготовления деталей или заготовок, основанных на использовании способности металлов и их сплавов под действием внешних сил пластически деформироваться, т.е. изменять свою форму, не разрушаясь. Количественно пластичность можно оценить максимально допустимой величиной деформации, не вызывающей разрушения металла. Чем меньше сопротивление деформации и выше пластичность, тем выше технологическое свойство металла, называемое ковкостью, и тем легче металл обрабатывается давлением.

Пластическая деформация – сложное явление, при котором изменяется не только форма исходной заготовки, но и кристаллическая структура исходного металла, его механические и физические свойства. Объем металла и его плотность при этом практически не изменяются.

Пластичность металла зависит от технологического режима деформирования – усилия деформирования, температуры, степени и скорости деформации. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию. Повышение скорости деформирования, наоборот, снижает пластичность и увеличивает сопротивление деформированию. Однако при сверхвысоких скоростях обработки давлением (например, при штамповке с помощью взрыва) многие сравнительно хрупкие металлы проявляют достаточно высокую степень деформирования. Поэтому пластичность следует рассматривать не как неизменное свойство какого-либо материала, а как его состояние, зависящее от условий обработки.

Новейшие достижения науки и техники позволяют создавать такие условия деформирования, при которых ряд металлов может переходить в состояние сверхпластичности. При этом значительные величины деформаций осуществляются при пониженной сопротивляемости деформированию.

Обработку давлением можно проводить в горячем или холодном состоянии. В процессе холодной пластической деформации зерна разрушаются и вытягиваются в направлении пластического течения металла. Вследствие этого металл приобретает волокнистое внутреннее строение. При этом кристаллическая решетка металла искажается. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, увеличению прочности и твердости и к снижению пластичности. Это явление называется физическим упрочнением или наклепом. При обработке давлением наклеп является вредным явлением, так как не позволяет осуществлять значительные деформации.

Температуру, при которой металл находится в наиболее пластичном состоянии и обладает минимальным сопротивлением деформированию, называют температурным интервалом ковки. Изменение пластичности в зависимости от температуры можно объяснить фазовыми превращениями, происходящими в металле. Как известно, структуру и температуру фазовых превращений стали при различных температурах легко определить по диаграмме состояния железа-углерод (раздел 6). Часть этой диаграммы и рекомендуемые интервалы нагрева углеродистой стали для ее обработки давлением показаны на рис.49.

Наиболее пластичной структурой является структура аустенита, которая имеет место у низко- и среднеуглеродных сталей в области температур 1100…1200?С. Поэтому температуру 1200?С принимают как верхний предел температурного интервала ковки для углеродистой стали. При установлении нижнего предела температур ковки учитывают массу поковки, наличие или отсутствие последующей термической обработки, способ охлаждения. Для сталей конец температурного интервала ковки принимают обычно на 30…70?С выше линии PSK, т.е. устанавливают в пределах 750…780?С. Нагрев металла выше оптимальных температур приводит к так называемому перегреву, понижающему качество стали. Перегрев стальных заготовок может быть исправлен последующей термической обработкой (отжигом или нормализацией) или дополнительной деформацией.

В результате высокого нагрева металла в печи до температуры, близкой к точке плавления, имеет место пережог металла. Вследствие этого значительно окисляются границы зерен, что приводит к потере пластичности металла, и он становится хрупким. Пережженные заготовки являются неисправимым браком.

В процессе нагрева наблюдается образование окалины, которое принято называть угаром металла. Для пламенных печей, работающих на мазуте или природном газе, угар составляет 2,5…4,0% от массы нагреваемой заготовки. Кроме того, под слоем окалины в поверхностном слое заготовки выгорает часть углерода. Глубина обезуглероженного слоя составляет обычно от 0,2 до 2,0 мм. Чтобы предотвратить образование дефектного обезуглероженного слоя, в рабочем пространстве печи создают безокислительную атмосферу.

Охлаждение поковок после горячей деформации оказывает существенное влияние на качество металла. При быстром охлаждении могут возникнуть так называемые холодные трещины.

Для нагрева металла под ковку и штамповку применяют кузнечные горны и нагревательные печи различных конструкций. Нагревательные печи делятся на пламенные, в которых теплота образуется при сжигании топлива, и электрические. Выбор типа печей зависит от характера производства, размера и формы заготовок и марки нагреваемого металла.

Нагрев крупных заготовок чаще всего осуществляется в пламенных печах. Средние и мелкие заготовки можно нагревать как в пламенных, так и в электрических печах и устройствах. Выбор способа нагрева заготовок определяется технико-экономическими соображениями. Энергозатраты в кузнечно-штамповочном производстве составляют примерно 10…15% себестоимости продукции.

По распределению тепла в рабочем пространстве печи разделяют на камерные и методические.

В небольших (площадью до 2,5 м2) камерных печах температура практически одинакова по всему печному пространству. В таких печах чаще всего нагревают мелкие заготовки, допускающие ускоренный нагрев. Загрузка заготовок производится партиями через определенные промежутки времени. После нагрева всей партии до необходимой температуры заготовки поштучно выгружаются для обработки.

Более совершенными являются методические печи, разделенные на несколько зон. В каждой зоне устанавливается определенная температура, вследствие чего происходит постепенный, т.е. методический нагрев. Эти печи имеют обычно вытянутую форму. Продвижение заготовок по поду печей осуществляется механическими толкателями. В методических печах в отличие от камерных лучше используется топливо, более постепенный и равномерный нагрев и меньшие потери металла на окалину.

Электрический нагрев происходит по всей массе заготовки одновременно от действия индукционных токов (индукционный нагрев) или от сопротивления самой заготовки прохождению в ней тока (контактный нагрев). Поэтому электрический нагрев позволяет достигать нужных температур в 10…20 раз быстрее, чем нагрев от поверхности. Такой нагрев применяют чаще всего для длинных заготовок постоянного сечения диаметром до 75 мм.

Обработкой давлением изготовляют наиболее ответственные и сложные по конфигурации детали машин. Объясняется это тем, что отливки и слитки имеют много различных дефектов – крупнозернистость, ликвация, микротрещины, газовые пузыри и др. При горячей обработке давлением эти дефекты устраняются. Горячедеформированный металл вследствие волокнистой структуры имеет повышенные эксплуатационные свойства, особенно в условиях знакопеременных нагрузок. К таким деталям относятся, например, коленчатые валы, шатуны, различные рычаги и др.

Таким образом, возможность получать детали сложной формы, высокая производительность и экономичность, возможность улучшать свойства сталей позволяет считать обработку давлением одним из самых прогрессивных технологических процессов. Процессы обработки давлением, используя новейшие достижения науки и техники, развиваются и совершенствуются в направлении приближения формы и размеров поковок и штамповок к конфигурации готовой детали, что позволяет снизить трудоемкость последующей обработки резанием, уменьшить расход материалов и энергии, повысить качество выпускаемых изделий, снизить их себестоимость.

В зависимости от типа производства, формы и размеров изготовляемых изделий, обрабатываемого материала применяют следующие основные виды обработки металлов давлением: прокатку, ковку, штамповку, волочение, прессование.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные из этих методов.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008