Обработка металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обработка металлов давлением

Глава 1. Понятие о процессах обработки металлов давлением

1.1 Обработка давлением как технологический процесс

Обработкой давлением называется технологический процесс получения фасонных деталей и заготовок методом пластического деформирования в холодном и горячем состоянии.

Обработке давлением подвергается 90% выплавляемой стали, 55% цветных металлов и их сплавов, различные виды пластмасс и др. неметаллических материалов.

Обработка давлением является высокоэффективным и прогрессивным технологическим процессом. Кованные и штампованные детали составляют 60Ї85% от веса автомобилей, самолетов, тракторов и др. машин.

При обработке давлением получают не только определенную форму и размеры, но и достигают требуемых величин показателей механических и физико-механических свойств металла деталей машин.

1.2 Пластическая деформация при обработке металлов давлением

Пластическая деформация - сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его физико-химические свойства.

Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого металла порядке.

В промышленных условиях затвердевание металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации и поэтому металл получается поликристаллическим.

При холодной пластической деформации под действием внешних сил в кристалле возникают напряжения. Пока эти напряжения не превысили определенной для данного металла величины, называемой пределом упругости , происходит упругая деформация. При упругой деформации атомы отклоняются от мест устойчивого равновесия на расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки под действием межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивого равновесия, при этом изменений в строении и свойствах металла не происходит.

С увеличением внешней нагрузки увеличиваются и отклонения атомов. При определенных для данного металла напряжениях (пределе текучести) атомы смещаются в новые места устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятия нагрузки форма кристалла не восстанавливается, он получает пластическую деформацию.

Пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической структуры, образованием осколков и остаточных деформаций.

Эти явления, затрудняя процесс дальнейшей деформации, вызывают изменения механических и физико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость, электросопротивление и химическая активность увеличивается, а пластичность, ударная вязкость и магнитная проницаемость уменьшается.

Совокупность изменений механических и физико-химических свойств в результате холодной пластической деформации называется наклепом (упрочнением).

В большинстве сплавов всегда присутствуют неметаллические примеси (окислы, карбиды), которые располагаются между зернами в виде пленок или отдельных шариков. При обработке давлением эти включения раздробляются и вытягиваются, придавая металлу волокнистое строение, которое при макроанализе обнаруживается глазом.

Величина пластической деформации металлов ограничена их пластическими свойствами.

Большинство металлов обрабатываются давлением в нагретом состоянии. Объясняется это тем, что с повышением температуры пластичность увеличивается, сопротивление деформации уменьшается.

Если пластическая деформация оказывает упрочняющее влияние на металл, то повышение температуры вызывает его разупрочнение. При незначительном нагреве, увеличивающем подвижность атомов, в холоднодеформированном металле уменьшаются остаточные напряжения и в некоторой степени устраняется искажение кристаллической решетки. При этом форма и размеры деформированных зерен не изменяются, волокнистая структура металла полностью сохраняется. В результате рассмотренных явлений, называемых возвратом , прочностные свойства металла уменьшаются , а пластичные - увеличиваются.

Возврат у чистых металлов происходит при температурах

где Ї абсолютная температура плавления металла

Сплавы же имеют температуру возврата более высокую, чем чистые металлы.

Чем выше температура нагрева, тем подвижнее атомы и тем активнее протекает возврат. При температуре выше температуры возврата в деформированном металле происходит рекристаллизация, т. е. процесс зарождения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. В результате рекристаллизации остаточные напряжения снимаются, восстанавливаются его исходные свойства и, таким образом, полностью снимается упрочнение, полученное металлом в процессе его деформирования.

Для чистых металлов температура рекристаллизации:



Рекристаллизация не устраняет волокнистое строение, т. к. она не происходит в неметаллических примесях.

Таким образом, обработка металлов давлением при повышенных температурах сопровождается одновременным действием как упрочняющих, так и разупрочняющих процессов. В зависимости от того, какие из этих процессов преобладают, обработка давлением подразделяется на холодную, неполную горячую и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется интенсивным упрочнением и отсутствием возврата и рекристаллизации. Прочность резко увеличивается, а пластичность уменьшается.

При неполной горячей деформации - рекристаллизация отсутствует, а возврат происходит.

При горячей обработке давлением - упрочнение, полученное металлом в процессе пластической деформации, полностью снимается рекристаллизацией, а металл получает равновесную микроструктуру, причем волокнистое строение сохраняется.

1.3 Нагрев металлов перед обработкой давлением

Металлы, обрабатываемые давлением, должны обладать пластичностью. Чем выше пластичность и ниже прочность, тем большей ковкостью обладает металл.

Наилучшая пластичность стали достигается нагревом, т. к. она непрерывно увеличивается в интервале температур от 300є до 1200є в зависимости от содержания в стали углерода. Стали с меньшим содержанием углерода обрабатываются давлением при более высоких температурах, а стали с повышенным содержанием углерода - при несколько пониженных температурах.

Все примеси, входящие в сталь, ведут к понижению температуры. Температурный интервал для легированных сталей характерен некоторым сужением с небольшим понижением предельных температур обработки. Медь обрабатывается в зоне температур 900Ї700є, латунь 760Ї600є, бронза 900Ї750є.

Алюминиевые сплавы при 470Ї380є, магниевые 430Ї350є.

Термический режим нагрева стали перед обработкой давлением должен обеспечить: получение требуемой температуры заготовки при равномерном нагреве ее по сечению и длине, сохранение целостности заготовки, минимальное обезуглероживание поверхностного слоя и минимальный отход металла в окалину (угар). Время нагрева металла до заданной температуры зависит от температуры рабочего пространства печи, формы сечения и размеров заготовки, физических свойств металла и способа укладки заготовок на поду печи.

1.4 Нагревательные устройства

Для нагрева слитков и крупных заготовок чаще всего применяют пламенные печи, а для нагрева средних и мелких заготовок наряду с пламенными печами применяют электрические нагревательные устройства.

По технологическому признаку различают печи для нагрева исходного материала под прокатку, ковку и штамповку, прессование (выдавливание).

По конструктивным признакам нагревательные устройства можно разделить на печи периодического действия (камерные печи) и непрерывного действия (методические и полуметодические).

В камерных печах металл в процессе нагрева остается неподвижным, температура в любой точке печи примерно одинакова, загрузка и выдача металла производится периодически.

В печах непрерывного действия металл передвигается по поду печи или вместе с подом (конвейерные печи) от места загрузки в печь до места выгрузки из печи с помощью специальных механизмов-толкателей. Температурный режим по длине печи методически (постепенно) изменяется от минимальной температуры до заданной; загрузка и выдача металла осуществляется без нарушения теплового режима печи.

В прокатных и трубопрокатных цехах для нагрева слитков применяют нагревательные колодцы, а для нагрева заготовок - двух- трех- и многокамерные методические пламенные или реже электрические нагревательные печи непрерывного действия.

В кузнечных цехах нагрев слитков под ковку производят в камерных печах со стационарным или выдвижным подом. Применяют также камерные механизированные печи с непрерывной загрузкой, а также полуметодические и методические пламенные печи и печи с электронагревом.

В прессовых цехах слитки или заготовки нагревают в методических или камерных пламенных печах и в печах с электронагревом.

1.5 Основные способы обработки металлов давлением

Являются:

1. Прокатка Ї один из важных способов обработки давлением, которым обрабатывается более 75% выплавляемой стали. Прокатка осуществляется захватом заготовки и деформации ее между вращающимися в разные стороны валками прокатного стана. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивается. Валки имеют гладкую поверхность для прокатки листов и вырезанные ручьи для получения различных профилей.

2. Волочение Ї процесс, при котором заготовка протягивается на волочильном стане через отверстие инструмента, называемого волокой. При этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается.

3. Прессование Ї представляет собой выдавливание заготовки, помещенный в специальный контейнер, через отверстие. В зависимости от формы и размеров отверстия получают разнообразные изделия.

4. Ковка металла заключается в обработке заготовки между верхним и нижним бойками молота с применением разнообразного кузнечного инструмента. Свободной ковкой получают поковки различных размеров простой и сложной формы на молотах или прессах.

5. Штамповка - процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размеры получаемой поковки. Различают объемную и листовую штамповку.

Исходными материалами для обработки металлов давлением служат слитки и заготовки различных размеров и массы. Для производства проката на металлургических заводах чаще всего применяют стальные слитки массой 5Ї8 тонн. Слитки цветных металлов и сплавов обычно имеют массу от 50Ї1000 кг.

Глава 2. Прессование

2.1 Сущность метода

Сущность способа прессования заключается в выдавливании металла, заключенного в замкнутую полость, через отверстие меньшего сечения исходного металла.

Прессование чаще всего применяют для обработки цветных металлов и сплавов и реже для обработки сталей.

Прессованием можно получать различные профили: прутки 5Ї300 мм; трубы с внутренним 18Ї350 мм с толщиной стенок 1,25Ї50 мм и др.

Исходным материалом для прессования являются круглые слитки 120Ї160 мм и длиной 200Ї1000 мм и заготовки.

Прессованные изделия из цветных металлов (меди и ее сплавов, цинковых, титановых), а также из сталей и сплавов в основном являются заготовками для получения изделий волочением, прокаткой и др. Прессованные профили из алюминия, магния и их сплавов являются готовыми изделиями.

2.2 Методы прессования

Различают 2 основных метода прессования: прямой и обратный.

При прямом методе прессования течение металла совпадает с направлением движения пуансона; при обратном методе металл течет навстречу направлению движения пуансона.

При прямом методе прессования нагретую заготовку 1 помещают в контейнер 2 пресса. Контейнер имеет набор втулок с различным внутренним диаметром, что позволяет прессовать на одной и той же установке слитки различного диаметра. С одной стороны контейнера посредством матрицедержателя 3 закреплена матрица 4. С другой стороны контейнера установлен пуансон 5 с прессшайбой 6 на конце, которая входит во втулку контейнера. При работе пресса пуансон получает необходимое давление Р и передает его через прессшайбу на заготовку, заставляя металл пластически деформироваться при прохождении через выходное отверстие матрицы. К концу прессования в контейнере остается часть металла, называемая пресс-остатком слитка. Отходы металла составляют 18Ї20% от массы слитка.

При обратном методе прессования во втулку контейнера 2 входит полый пуансон 5 с матрицей 4 на его конце. Выходное отверстие в матрицедержателе 3 закрыто заглушкой 6. При движении пуансона матрица давит на слиток 1, в результате чего металл вытекает через отверстие матрицы в направлении, обратном перемещению пуансона.

При прессовании обратным методом по сравнению с прямым отходы металла меньше (5Ї6% массы слитка), а усилие прессования меньше на 25Ї30%.

Прямой и обратный методы прессования осуществляются на одном и том же прессе. Имеются специальные прессы обратного прессования, у которых на неподвижный пуансон надвигается контейнер со слитком, но они имеют очень ограниченное применение из-за сложности конструкции.

2.3 Прессование труб

При прессовании труб нагретая сплошная заготовка 1, помещается во втулку контейнера 2, сначала несколько обжимается, а затем пронизывается стальной иглой 8. Иглу укрепляют на конце пуансона или в проходящем через полый пуансон иглодержателе. При прошивке заготовки передний конец иглы выходит на некоторое расстояние из отверстия матрицы 4. Вследствие этого между стенками отверстия матрицы и наружной поверхностью стальной иглы образуется кольцевой зазор. При движении пуансона 5 вместе с прессшайбой 6 в направлении матрицы металл выдавливается через кольцевой зазор и принимает форму трубы 7. Наружный диаметр трубы равен диаметру отверстия матрицы, а внутренний - диаметру стальной иглы.

Трубы прессуют также из полых заготовок. В этом случае игла проходит через заготовку и занимает рабочее положение в матрице, после чего начинается процесс прессования.

2.4 Прессовый инструмент и оборудование для прессования

Основными инструментами являются матрица, прессшайба, матрицедержатель, пуансон, контейнер со втулкой, а также игла и иглодержатель при прессовании труб.

К инструменту предъявляются большие требования по стойкости и относительной неизменяемости размеров и профиля в условиях высоких температур (от 800Ї900є до 1000Ї1250є) и больших нагрузок. Изготавливают инструмент из легированных сталей и сплавов 38ХМЮА; 5ХНМ; 4ХВ2С и др.

Процесс прессования осуществляется при температурах горячей обработки давлением на прессах.

По типу производства прессы разделяют на гидравлические и механические, а по методу работы - на прессы прямого и обратного прессования. В промышленности получили наибольшее распространение гидравлические прессы с горизонтальным или вертикальным расположением контейнера.

Горизонтальные гидравлические прессы прямого прессования по назначению делятся на прутковые и трубные. Их прессовая установка состоит из собственно пресса, распределителя воды к рабочим частям пресса, насосной станции, аккумулятора воды высокого давления, аккумулятора воды низкого давления. Усилие прессов достигает 1500 т.

Особое внимание при прессовании уделяют нагреву металла и очистке его от окалины, т. к. заготовки с окалиной резко снижают стойкость матриц.

2.5 Технологический процесс прессования

Процесс прессования металла состоит из следующих стадий:

1. подготовка слитка к прессованию (удаление наружных дефектов, резка на мерные длины);

2. нагрев слитка до заданной температуры и подача его к контейнеру;

3. собственно прессование;

4. отделка изделия (охлаждение, ломка заднего конца для полного удаления пресс-остатка, резка на мерные длины, правка, удаление дефектов).

С целью уменьшения трения металла о стенки контейнера и достижения более равномерного истечения металла из матрицы применяют смазку - смесь машинного масла с графитом, жидкое стекло и др.

Температуру прессования выбирают, исходя из свойств обрабатываемого материала и ее влияния на качество получаемых изделий, стойкость прессового инструмента и усилия прессования.

Температура прессования связана со скоростью прессования, т. е. скоростью движения пуансона в период рабочего хода (деформации). При высоких скоростях прессования температура металла заметно повышается. Это может привести к перегреву металла и получения изделия с трещинами и надрывами. Поэтому чем выше температура нагрева металла, тем меньше скорость прессования и наоборот.

К достоинствам метода прессования относятся:

1. более высокая точность изготовления профилей, чем при прокатке;

2. возможность исключения малопроизводительных отделочных операций;

3. высокая производительность;

4. возможность получения сложных профилей.

Наряду с достоинствами у прессования имеются существенные недостатки:

1. значительный износ инструмента;

2. большой отход металла, особенно при прессовании труб большого диаметра.

Глава 3. Волочение

3.1 Сущность метода

Сущность метода волочения заключается в протаскивании обрабатываемой заготовки через отверстие волоки, размеры которой меньше размеров сечения исходной заготовки.

При волочении металлическим изделиям придают точные размеры, заданную геометрическую форму, чистую и гладкую поверхность.

Подвергая заготовку волочению несколько раз, можно получить изделие тончайшего сечения.

Волочением обрабатывают углеродистые и легированные стали, цветные металлы и их сплавы.

Исходным материалом являются проволока, прутки и трубы, получаемые горячей прокаткой (сталь, цветные металлы и их сплавы), горячим прессованием (латуни, бронзы, алюминиевые сплавы), непрерывным литьем (алюминиевые сплавы) и методом порошковой металлургии (спеканием).

Сущность процесса волочения состоит в следующем. У прутка 1 заостряется передний конец, который пропускают через очко волоки 2. К переднему концу прутка, выходящему из волоки, прикладывают внешнюю силу Р, называемую усилием волочения. Пруток, проходя через очко волоки, деформируется и принимает форму и размеры очка волоки. Конечное сечение прутка меньше исходного.

В зависимости от формы очка волоки при протяжке прутков и формы оправки и очка волоки при протяжке труб можно получать различные простые и фасонные профили, а также фасонную проволоку.

Промышленность выпускает прутки 5Ї50 мм; проволоку 0,006 - 16 мм; трубы 0,6 - 400 мм с толщиной стенки 0,05 - 15 мм.

3.2 Инструмент и оборудование для волочения

Волока - основной инструмент при волочении. В процессе волочения волока испытывает значительные нагрузки, т. к. в ее канале под действием усилия волочения происходит пластическая деформация металла.

Волока состоит из двух деталей: собственно волоки и обоймы.

Волока имеет 4 зоны: входную I, смазочную II, деформирующую III, калибрующую IV.

Угол рабочего конуса деформирующей зоны при волочении прутков выбирают в пределах 6 - 18є в зависимости от вида изделия и свойств металла, а при волочении труб - 10 - 24є. Чем больше твердость металла, тем меньше угол рабочего конуса.

Волоки изготавливают из твердых сплавов ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, технических сортов алмаза (для проволоки диаметра меньше 0,6 мм) или инструментальной стали У8, У12, а также из легированной стали ШХ15, Х12М.

Оборудование, на котором осуществляется волочение, называется волочильными станами. Волочильные станы по принципу работы тянущих устройств подразделяются на две группы:

1. с прямолинейным движением тянущих устройств - цепные, реечные, винтовые;

2. с наматыванием обрабатываемого материала на барабан - барабанные.

Волочильные станы с прямолинейным движением протягиваемых изделий по конструкции привода бывают механические, а также с гидравлическим и пневматическим приводом, по назначению - для волочения прутков или труб, по числу одновременно протягиваемых изделий - одно или многониточные.

Барабанные станы в зависимости от числа потягиваний делятся на однократные, когда волочение производится через одну волоку, и многократные, когда заготовка проходит последовательно несколько волок уменьшающихся сечений.

3.3 Технологический процесс волочения

Включает: подготовку металла к волочению, установление режима волочения и отделку готовой продукции.

При подготовке металла к волочению удаляют окалину с поверхности заготовки и наносят на нее смазку.

Окалина удаляется химическим, механическим или электрохимическими способами, а также при помощи ультразвука, вакуума и др. Чаще всего применяют химическое травление в водных растворах кислот.

Завершающей операцией подготовки поверхности заготовки является сушка в специальных сушилах с усиленной циркуляцией воздуха при 300Ї350єС. Во время сушки удаляются влага и некоторая часть растворенного в металле водорода, что способствует устранению хрупкости металла.

На сухую поверхность заготовки перед протяжкой наносят соответствующую смазку (масло минеральное, графит, мыло, эмульсии).

Режим волочения металла регламентируется технологическими картами, в которых указывается маршрут волочения, температура и продолжительность промежуточного отжига и режим травления.

Отделка готовой продукции состоит в удалении дефектов, правке, резке на мерные длины, маркировке, смазке или поверхностном покрытии и упаковке.

Некоторые виды холодного проката (проволока, прутки, трубы, полосы) должны иметь точное поперечное сечение и чистую поверхность. С этой целью их подвергают калиброванию, т. е. протягиванию через волоку без существенного обжатия и вытяжки.

Глава 4. Прокатка металлов

4.1 Сущность способа прокатки

Сущность прокатки заключается в пластическом деформировании металла при пропускании его между вращающимися валками. При этом зазор между валками должен быть меньше толщины обрабатываемой заготовки.

При обычной прокатке толщина заготовки уменьшается, а ширина и длина увеличиваются, т. е. происходит обжатие, уширение и вытяжка.

При прокатке металл захватывается и обжимается двумя вращающимися валками. Металл вытягивается в щель между валками благодаря силам трения, которые возникают на поверхности соприкосновения металла с валками под влиянием давления. При этом металл подвергается деформации на участке контакта с валками.

Исходной заготовкой при прокатывании стали являются слитки весом до 25 т. Форма поперечного сечения прокатанной продукции называется ее профилем. Перечень различных профилей всевозможных размеров принято называть сортаментом.

Продукция стального проката делится на следующие основные группы: сортовой, листовой, трубный, специальный и периодический прокат.

Профили сортового проката делятся на 2 группы:

1. простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, восьмигранник, полоса, треугольник и др.);

2. фасонные профили, которые в свою очередь делятся на профили общего назначения и профили специального назначения.

Специальные профили изготовляются для сельхозмашиностроения, судостроения, вагоно- и тракторостроения, строительства и т. д.

Листовой прокат делится на: толстолистовой - с толщиной листа 4Ї60 мм, а в особых случаях до 500 мм и выше и тонколистовой - с толщиной листа менее 4 мм. К тонколистовой стали относится оцинкованная сталь, всевозможная жесть, лента.

Трубный стальной прокат делится на бесшовные трубы с наружным диаметром от 5 до 426 мм при толщине стенок 0,5Ї40 мм и трубы сварные с наружным диаметром до 1420 мм при толщине стенок до 14 мм.

Специальный стальной прокат включает в себя продукцию законченной формы, например венцы зубчатых колес, бандажи железнодорожных колес, шарики для шарикоподшипниковой промышленности.

Периодический прокат - прокат, поперечное сечение которого по длине периодически меняется, например, заготовка вагонной оси, полуоси для автомобилей. Периодический прокат находит широкое применение в виде заготовок под окончательную механическую обработку.

Продукция проката составляет более 75% всей выплавляемой стали. Большое количество цветных металлов и сплавов подвергается прокатке. Продукция проката используется непосредственно в конструкциях, а также в виде заготовок для изготовления деталей в механических и кузнечно-штамповых цехах.

4.2 Инструмент и оборудование для прокатки

Инструментом прокатки являются валки, с помощью которых обрабатываются слитки и другие заготовки. Валки бывают:

1. гладкие для проката листов, лент;

2. ступенчатые для прокатки полосовой стали;

3. ручьевые для получения сортового проката.

Профиль выреза на боковой поверхности валка называется ручьем. Ручей верхнего и нижнего валков в совокупности образуют калибр.

На каждой паре валков размещают несколько калибров, форма которых зависит от прокатываемого профиля. Сложные профили проката получают последовательными пропусками металла через серию калибров. Для рельсов число калибров 9, для балок от 9 до 13, для проволоки - от 15 до19.

В зависимости от стадии прокатки различают калибры обжимные (уменьшающие сечение заготовки), черновые (приближающие сечение заготовки к заданному профилю) и чистовые или отделочные (дающие заданный профиль).

Оборудование, на котором прокатывается металл, называется прокатным станом. Принцип работы прокатного стана следующий: прокатные валки монтируются в подшипниках, находящихся в стойках станины. Комплект валков вместе со станиной называется рабочей клетью. Рабочие валки получают вращение от двигателя через редуктор, передающий вращательное движение через шестеренную клеть и шпиндели.

К прокатному стану относятся также вспомогательные машины и механизмы, выполняющие подсобные операции по резке, отделке транспортировке прокатываемого металла.

4.3 Классификация прокатных станов

Станы классифицируются по 3 основным признакам:

1. по назначению;

2. по числу и расположению валков в рабочих клетях;

3. по числу и расположению рабочих клетей.

По назначению станы разделяют на 2 основных типа:

1. станы для производства полупродукта;

2. станы для производства готовой продукции.

К первому типу относятся обжимные и заготовочные станы. Обжимные станы - блюминги и слябинги с диаметром валков 800Ї1400 мм - предназначены для прокатки слитков в заготовки крупных размеров (блюмы и слябы), которые в качестве полупродукта поступают для последующей прокатки в заготовки меньших размеров или для получения готового продукта. Заготовочные станы имеющие диаметр валков 450Ї750 мм предназначены для прокатки блюмов в заготовки более мелких размеров (от 5050 мм до 150150 мм), являющихся исходным материалом для дальнейшей прокатки на сортовых станах.

Ко второму типу станов относят:

1. рельсобалочные с валками диаметром 750 - 900 мм для прокатки железнодорожных рельсов, двутавровых балок, швеллеров, уголков крупных размеров;

2. крупносортовые с валками диаметром 500Ї750 мм для прокатки крупносортовой стали (квадратной и круглой от 80 до 150 мм), балок и швеллеров 120Ї140 мм;

3. среднесортовые с валками диаметром 350Ї500 мм для прокатки среднесортовой стали (квадратной и круглой 40Ї80 мм), балок и швеллеров высотой до 120 мм;

4. мелкосортные с валками диаметром 250Ї350 мм для прокатки мелких сортовых профилей (квадратной и круглой 8Ї40 мм), угловых профилей 2020 до 5050 мм;

5. проволочные станы с валками диаметром 250Ї300 мм для прокатки проволоки (катанки) диаметром 5Ї9 мм;

6. полосовые (штрипсовые) станы с валками диаметром 300Ї400 мм для прокатки полос шириной 65Ї500 мм и толщиной 1,5Ї10 мм;

7. толстолистовые станы для прокатки листов толщиной 4Ї60 мм;

8. тонколистовые горячей и холодной прокатки для листов толщиной 0,2Ї4 мм и шириной 500Ї2500 мм;

9. универсальные станы для прокатки универсальных полос шириной 200Ї1500 мм;

10. трубные станы для производства бесшовных и сварных труб;

11. станы специального назначения - колесо- и бандажепрокатные, шаропрокатные и т. д.

Как видно из приведенной классификации, основной характеристикой сортовых станов является диаметр рабочих или шестеренных валков. Если в стане имеется несколько клетей, то характеристикой всего стана является диаметр валков чистовой клети. Например, проволочный стан 250 означает, что диаметр рабочих или шестеренных валков чистовой клети равен 250 мм.

По числу и расположению валков в рабочих клетях станы различают:

1. дуо-станы - (двухвалковые) с двумя валками в каждой клети расположенные горизонтально один над другим в вертикальной плоскости.

Станы дуо могут иметь постоянное направление вращения валков (нереверсивные) и переменное (реверсивное). В последнем случае валки периодически изменяют направление вращения и слиток или полоса проходит между валками вперед и назад несколько раз; оба валка обычно являются приводными. Большее распространение получили реверсивные дуо-станы: блюминги, слябинги, толстолистовые и др.

2. Трио-станы, у которых три валка расположены горизонтально один над другим в одной вертикальной плоскости. Полоса прокатывается сначала между нижним и средним валками, а затем специальным приспособлением (подъемно-качающимися столами) поднимается на уровень разъема среднего и верхнего валков и при обратном ходе прокатывается между средним и верхним валками. На трио-станах прокатываются сортовой металл и листы. Листовые трио-станы имеют средний не приводной валок несколько меньшего диаметра, чем верхний и нижний, а на сортовых - все валки одинакового диаметра.

3. кварто-станы имеют четыре валка, вертикально расположенных один над другим, два валка меньшего диаметра (средние) - рабочие, а большие (верхний и нижний) - опорные. Опорные валки воспринимают давление при прокатке и уменьшают прогиб рабочих валков. Станы кварто бывают реверсивные и нереверсивные. Они предназначены для прокатки листов и полос.

4. многовалковые станы бывают шестивалковые, двенадцативалковые, двадцативалковые и др. Эти станы имеют два рабочих валка малого диаметра, а остальные - опорные. В виду малого прогиба рабочих валков эти станы применяют для холодной прокатки тонких полос и узких лент в рулонах.

5. универсальные станы, которые имеют в одной рабочей клети вертикальные и горизонтальные валки. На этих станах металл обжимается по ширине и высоте. Универсальные станы применяют для прокатки полос называемых универсальной сталью.

По числу и расположению рабочих клетей прокатные станы разделяют на одноклетевые и многоклетевые. Простейшим типом является одноклетевой стан. К ним относятся блюминги, слябинги, толстолистовые дуо- и трио-станы, универсальные станы.

Многоклетевые станы имеют две и более рабочие клети. Расположение клетей может быть: линейным, последовательным и непрерывным. У этих станов каждая рабочая клеть или группа из 2Ї4 клетей имеет линию привода валков.

Линейными станами с расположением рабочих клетей в одну линию являются рельсобалочные и крупносортные станы.

Наиболее распространенным типом современных многоклетевых станов являются непрерывные станы, у которых число рабочих клетей равно требуемому числу проходов; прокатка ведется по принципу - в каждой клети один проход. Клети расположены последовательно одна за другой так, что полоса одновременно находится в двух и более клетях. Скорость прокатки в каждой рабочей клети по мере уменьшения сечения прокатываемой полосы увеличивается, что достигается изменением числа оборотов валков при индивидуальном приводе валков каждой рабочей клети, либо изменением передаточного отношения и числа оборотов валков и диаметра рабочих валков при групповом приводе.

Непрерывные станы применяются в качестве заготовочных, сортовых, проволочных, штрипсовых (полосовых), листовых для холодной и горячей прокатки. Скорость прокатки на этих станах достигает 30Ї35 м/сек и более, благодаря чему непрерывные станы имеют высокую производительность.

4.4 Технологический процесс прокатки

Техпроцесс прокатки представляет собой комплекс последовательных термомеханических операций, выполняемых на соответствующем оборудовании стана для получения полупродукта или готовой продукции.

Наиболее общая схема техпроцесса прокатки включает следующие операции:

1. подготовка исходного материала к прокатке;

2. нагрев металла перед прокаткой;

3. собственно прокатка;

4. отделка и контроль качества проката.

При подготовке исходного материала к прокатке удаляют поверхностные дефекты: пленки, шлаковые включения на слитках, неглубокие трещины, волосовины и др. Это улучшает качество прокатанной продукции, увеличивает выход годного.

Поверхностные дефекты удаляют огневой зачисткой, обдиркой на металлорежущих станках, пневматической вырубкой, зачисткой абразивными кругами, электродуговым и др. способами.

Подготовленный исходный материал нагревают в разных нагревательных устройствах с целью уменьшения сопротивления металла деформации, улучшения его структуры и придания достаточной пластичности. Качество нагрева имеет большое значение, т. к. оно оказывает влияние на производительность стана, качество прокатываемого материала, величину брака, а также на макро- и микроструктуру металла и его механические свойства.

Нагретый металл транспортируется к стану для прокатки. Соблюдение режима обжатий и температурного интервала прокатки обеспечивает получение прокатанной продукции нужных размеров, формы и качества поверхности.

Отделка проката зависит от его вида, хим. состава металла и др. факторов. Она включает: резку, правку, охлаждение или термообработку, удаление дефектов, упаковку.

При выполнении всех операций осуществляется контроль качества поверхности металла, нагрева, формы, размеров и т. д. Готовый прокат подвергают конечному контролю.

4.5 Основные виды прокатки

Различают следующие виды: продольная, поперечная и поперечная винтовая прокатка.

При продольной прокатке заготовка перемещается перпендикулярно оси валков, которые вращаются в противоположных направлениях. До 90% проката изготавливают продольным прокатыванием (листы, прутки, полосы).

При поперечной прокатке валки, которые вращаются параллельно в одном направлении, вращают заготовку, которая деформируется при принудительном перемещении ее вдоль валков.

При поперечном винтовом прокатывании валки вращаются в одну сторону, но расположены под углом друг к другу. Такое размещение валков обеспечивает появление осевого усилия, благодаря которому заготовка перемещается вдоль осей валков.

Поперечное и винтовое поперечное прокатывание применяется при изготовлении изделий с изменяющимся по длине сечением. Принцип винтового поперечного прокатывания используется также при изготовлении труб.

4.6 Прокатка труб

Трубы прокатываются на трубопрокатных станах. Процесс прокатки бесшовных труб делится на две стадии:

1. получение пустотелой гильзы из слитка или круглого проката;

2. получение из пустотелой гильзы готовой трубы.

Пустотелые гильзы получают чаще на прошивном стане. Для труб большого диаметра полые гильзы можно получить центробежным литьем.

Прошивной стан состоит из двух рабочих косо расположенных валков. Валки вращаются в одном направлении, а заготовка - в противоположном. Для удержания заготовки между валками предусматривают специальные устройства. Рабочие валки имеют конусы прошивки и раскатки, а средние - калибровочный поясок. Между валками на пути движения получающейся полой заготовки (гильзы) устанавливается оправка. При расположении рабочих валков под некоторым углом между их осями достигается вращение заготовки относительно своей оси и одновременно поступательное ее движение, благодаря чему заготовка надвигается на оправку и прошивается.

После прошивки гильзу передают на периодический нереверсивный дуо-стан. Гильза, надетая на оправку, подается в фасонный калибр переменного сечения. В момент, когда валки образуют калибр максимального диаметра, гильза подается в валки, а затем подвергается деформированию с выдвижением ее в направлении, обратном подаче. В момент, когда калибр опять будет максимального диаметра, гильза снова подается в валки на такую длину, чтобы в дальнейшем рабочий участок калибра захватил новый не обжатый участок гильзы. Так постепенно происходит обжатие гильзы в трубу. Прямой (подача заготовки) и обратный (момент обжатия) ход чередуется поворачиванием заготовки вокруг оси.

После раскатки трубы обрабатываются на специальной машине для устранения овальности и разностенности и затем подвергаются прокатке на калибровочном стане для получения окончательных размеров.

При производстве сварных труб исходным материалом служит плоская прокатанная заготовка (штрипс) в виде полосы свернутой в рулон.

Процесс изготовления сварных труб состоит из следующих операций:

1. свертывание заготовки;

2. сварка свернутой заготовки;

3. отделка трубы.

Трубы из малоуглеродистой стали изготавливают с применением наружной сварки на непрерывном стане.

Трубная заготовка в виде рулона сначала разматывается, а затем правится на правильной машине. Передний конец заготовки отрезается ножницами и в сварочном аппарате сваривается с концом предыдущей заготовки, который предварительно был также обрезан ножницами. Дальше заготовка в виде ленты поступает в длинную (до 40 м) газовую печь. Нагретая в печи до температуры 1350є С лента направляется в непрерывный трубный стан, имеющий 6 пар валков с соответствующими калибрами, при помощи которых лента постепенно свертывается в трубу, а затем путем нажатия одной кромки на другую осуществляется сварка кромок ленты, т.е. получение трубы. Непрерывно выходящие из стана трубы разрезают пилой по 6 - 8 м и калибруют на калибровочном стане.

Применение электросварки позволяет получать трубы с более тонкой стенкой, а также трубы с повышенным содержанием углерода и даже из легированных сталей.

Глава 5. Ковка металла

5.1 Сущность процесса ковки

Ковка - процесс деформирования нагретой заготовки между верхним и нижним бойками молота или пресса с применением универсального инструмента. металл давление прессование прокатка

Ковка бывает также ручная, с применением кувалды, которая применяется в ремонтном деле для мелких работ.

Кованные заготовки для последующей обработки называют поковками. Масса их от 0,1 кг до 300 т. Большие поковки (массой больше 1,5 т) можно изготавливать из слитков только ковкой.

Меньшие поковки можно изготавливать также штамповкой.

Ковкой достигается не только требуемая форма поковок, но значительно улучшаются ее первоначальные свойства и структура. Наиболее тяжело нагруженные детали современных машин изготавливаются ковкой или штамповкой. Например, в автомобиле количество деталей, изготовленных ковкой или штамповкой, достигает 80%.

Исходной заготовкой при ковке крупных поковок, вес которых достигает 200 т (судовые прямые и коленчатые валы, роторы генераторов) являются слитки. Поковки массой 2 - 3 т иногда изготавливают из проката в виде блюмов. Для изготовления поковок весом до 1 т исходной заготовкой служит обычный сортовой прокат.

По способу изготовления поковок различают свободную ковку и горячую объемную штамповку.

5.2 Операции свободной ковки

Свободная ковка делится на ручную и машинную.

Ручная ковка осуществляется на наковальне с помощью кувалды и различного кузнечного инструмента. Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве. Ее производительность крайне низкая.

Машинная ковка осуществляется на кузнечно-прессовом оборудовании, является основным методом, применяемом в машиностроении, а для получения тяжелых поковок (от 2 до 200 т) является пока единственным.

Технологические процессы получения поковок очень разнообразны, но все они представляют различные сочетания основных кузнечных операций: осадки, (высадки), вытяжки, прошивки, гибки, закручивания, рубки и кузнечной сварки.

Осадкой называется операция, посредством которой увеличивают поперечное сечение исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты.

Осадкой получают заготовки зубчатых колес, фланцев, трубных дисков с большим поперечным сечением при относительно малой высоте из заготовок меньшего поперечного сечения.

Осадку, как предварительную операцию перед прошивкой применяют при изготовлении пустотелых поковок (кольца, барабаны), а иногда как предварительную «»»»»»»»»»» для уничтожения дендритной структуры слитка, повышения его качества.

Местная осадка, применяемая к части заготовки, наз. высадкой. Примером высадки служит операция получения головки болта, когда заготовкой служит пруток диаметром, равным диаметру болта.

Вытяжкой называют операцию, с помощью которой увеличивают длину заготовки за счет уменьшения ее поперечного сечения (валы прямые и с уступами). Для вытяжки применяют бойки (плоские, вырезные), обжимки. При вытяжке круглых поковок применяют патроны для удерживания и кантовки заготовки и др. инструмент.

Вытяжку осуществляют последовательными ударами или нажатиями с подачей заготовки вдоль оси и поворотом ее вокруг этой оси. Два последовательных обжима с промежуточной кантовкой на 90є наз. переходом, за которым следует подача. Отношение площади поперечного сечения заготовки к полученной площади сечения поковки наз. степенью уковки.

Разновидностью вытяжки могут быть: разгонка, вытяжка с оправкой, вытяжка на оправке.

Разгонка применяется тогда, когда необходимо металл раздать в стороны.

Вытяжка с оправкой увеличивает длину пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины стенок. Внутренний диаметр определяется диаметром оправки.

Вытяжка на оправке (раздача отверстия) увеличивает одновременно наружный и внутренний диаметр пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.

Прошивка - операция, посредством которой в заготовке получают отверстие (сквозная прошивка) или углубление (глухая прошивка). Прошивки бывают цилиндрической формы и фасонные. Отверстия диаметром до 400 мм выполняют сплошными прошивками, а свыше 400 мм - пустотелыми. При прошивке отверстий больших диаметров у заготовок в виде слитков прибыльную часть располагают внизу.

Гибкой называют операцию, посредством которой меняют направление оси заготовки с целью получения продукции заданной формы.

Гибка сопровождается искажением поперечного сечения исходной заготовки и уменьшением ее площади. При гибке возможно образование складок по внутреннему диаметру и трещин по наружному. Для получения в заготовке изгиба сечения заданных размеров заготовке заранее придают на этом участке увеличенные поперечные размеры.

Закручивание - операция, посредством которой одну часть заготовки поворачивают по отношению к другой вокруг общей оси. Закручивание применяется при изготовлении коленчатых валов с расположением колен в различных плоскостях, спиральных сверл. Инструментом для закручивания служат вилки, воротки и др.

Рубкой - называют операцию, посредством которой заготовки разделяют или только подразделяют (подрубка) на части.

Рубку иногда применяют как заготовительную операцию при подготовке заготовок мерной длины или при удалении донной или прибыльной части слитка.

К рубке прибегают при ковке поковок для удаления излишнего металла, а также при ковке фигурных поковок. Инструментом являются топоры и подставки.

Кузнечная сварка - операция, посредством которой с помощью местного нагрева и механического воздействия соединяют в одно целое части или концы свариваемой поковки. Ее применяют только для получения мелких поковок. Кузнечной сваркой хорошо сваривается сталь, содержащая до 0,3 % С. Примеси понижают свариваемость. Сварка осуществляется в зоне высоких температур (1275 - 1400є).

5.3 Оборудование для свободной ковки

Эти машины подразделяются на молоты и прессы. В свою очередь молоты подразделяются: приводные (рычажные, пневматические, фрикционные) и паровоздушные; а прессы - гидравлические и парогидравлические.

Основной характеристикой молотов является масса падающих частей, а прессов - наибольшее усилие, развиваемое плунжером.

Молоты обеспечивают в течении рабочего хода ударное динамическое до 6,5 - 7 м/сек, а прессы - относительно медленное статическое до 0,1 м/сек воздействие рабочего инструмента на обрабатываемый материал.

При свободной ковке мелких поковок применяют пневматические ковочные молоты, средних и крупных - паровоздушные ковочные молоты и гидравлические прессы, а для очень крупных поковок - только гидравлические прессы.

Гидравлические ковочные машины различают простого и двойного действия. В молотах I типа воздух работает только в полости под поршнем рабочего цилиндра, а в молотах II типа - над и под поршнем. В настоящее время применяют только молоты II типа.

Пневматический молот двойного действия имеет, станину, в верхней части которой расположены компрессорный и рабочий цилиндры. Поршень компрессорного цилиндра служит для нагнетания воздуха, приводящего в движение рабочий поршень, к которому прикреплен шток с падающей бабой молота. Рабочий и компрессорный цилиндры соединены воздухораспределительным устройством, через которое сжимаемый воздух направляется в рабочий цилиндр попеременно снизу и сверху. Сжатый воздух перемещает бабу молота соответственно вверх и вниз. Управляя распределением воздуха, можно регулировать перемещение падающих частей молота и производить автоматические и единичные удары бойка по заготовке, прижимать поковку к нижнему бойку или держать бабу молота на весу.

Масса падающих частей молота (поршня, штока и бабы) изменяется в пределах от 50 до 1000 кг. Число ударов верхнего бойка молота составляет 210 - 95 в минуту.

Паровоздушные ковочные молоты могут проводиться в действие паром или сжатым воздухом. Паровоздушные молоты различают простого и двойного действия. В последнем случае пар или воздух поднимает подвижные части молота и дополнительно увеличивает энергию удара.

Паровоздушные молоты по конструкции разделяют на одностоечные с падающими частями массой 500, 750 и 1000 кг, двухстоечные арочного типа с падающими частями массой 1 - 5 т и двухстоечные мостового типа с падающими частями массой 2 - 5 т.

На паровоздушном молоте можно производить единичные и автоматические удары бойка о поковку, а также прижим поковки бойками.

Давление пара или воздуха 7 - 9 атм.

В состав гидропрессовой установки входит собственно гидравлический пресс, насосная установка сеть высокого давления с аккумулятором высокого давления, сеть низкого давления с аккумулятором низкого давления, питающим насосы и пресс на определенных этапах цикла; орган управления - водораспределитель (дистрибутор); система трубопроводов с соответствующей аппаратурой, соединяющей все элементы в одну гидравлическую систему.

В современных прессовых установках в качестве рабочей жидкости применяют водные эмульсии и минеральные масла под давлением 200 - 220 атм.

Гидравлические ковочные прессы имеют номинальное усилие200 - 1500 т.

Парогидравлические прессы, в отличие от гидравлических, имеют привод от специального аппарата - мультипликатора, который может приводиться в движение паром, воздухом или электричеством.

5.4 Технологический процесс свободной ковки

При выборе тех. Процесса свободной ковки исходят из того, чтобы получить поковки хорошего качества, достигнуть высокой производительности оборудования и иметь минимальный расход металла, а также обеспечить безопасность в работе.

Техпроцесс состоит из следующих операций:

1. подготовка исходного материала;

2. нагрев металла перед ковкой;

3. ковки на молотах или на прессах;

4. отделки поковки.

Основными документами для изготовления поковки является чертеж поковки и технологическая карта.

В карте указываются: марка стали поковки, размеры и масса заготовки; нормы расхода металла; основные и вспомогательные отделочные операции; основной и вспомогательный инструмент и приспособления; тип и силовые характеристики оборудования; режим нагрева заготовки; и др.

Составление технологической карты начинается с составления чертежа поковки и подбора заготовки по нему.

Чертеж поковки составляют по чертежу детали с учетом припуска на механическую обработку, допуска на номинальные размеры поковки (точность изготовления) и припуска (избытка металла) для упрощения очертаний поковки.

Далее, исходя из чертежа поковки, выбирают заготовку или слиток.

Подготовка металла осуществляется в заготовительном отделении цеха, при этом удаляются поверхностные дефекты. Производится резка или ломка заготовки на мерные длины.

Заготовки нагревают в кузнечных горнах, камерных или методических печах.

Нагретую заготовку подают к молоту или к прессу для ковки. Порядок выполнения кузнечных операций указывают в технологической карте.

Полученную поковку подвергают отделке, которая состоит в удалении поверхностных дефектов, очистки от окалины, термической обработки (отжиг или нормализация).

В нвстоящее время выход годного металла при получении поковок из слитков на прессах не превышат 60%, а из проката на молотах достигают 90%.

...