Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Неравномерность деформации и внутренние напряжения

При обработке металла давлением почти не встречается условий, отвечающих равномерному распределению напряжений и деформаций по объему тела, кроме отдельных частных случаев. Степень неоднородности деформации в сильной мере определяет качество продукта обработки.

Основными причинами, вызывающими неравномерное распределение напряжений и деформаций в пластически обрабатываемом теле, можно считать неоднородность физических свойств обрабатываемого материала, контактное трение, исходные формы тела и рабочего инструмента.

Перечисленные причины могут вызывать неравномерность напряжений и деформаций, как каждая в отдельности, так и в сочетании с другими. Необходимо также иметь в виду, что факторы, вызывающие неоднородность деформации металла, заметно изменяются по мере развития процесса обработки. Все это накладывает отпечаток как на характер протекания пластической деформации, так и на конечные свойства металла изделия.

Рассмотрим влияние основных причин, вызывающих неравномерную деформацию. При этом, анализируя какой-либо фактор, для наглядности условно исключим действие других.

Неоднородность физических свойств материала является весьма распространенной причиной появления неравномерной деформации в силу различной податливости его отдельных участков. Физическая неоднородность вызывается непостоянством химического состава материала, различием структуры отдельных участков, неравномерным нагревом обрабатываемого материала по его сечению. Ярко выраженная неравномерность деформации наблюдается при обработке изделий, составленных из разнородных материалов.

В условиях неравномерной деформации отдельные элементы тела получают различное изменение размеров. Поскольку обрабатываемое тело принимается сплошным с соответствующей связью его частиц, то те участки, которые получают большую деформацию, оказывают определенное воздействие на участки с меньшей деформацией, и наоборот. В результате этого в теле возникают взаимно уравновешенные дополнительные напряжения.

Взаимно уравновешенные в пределах деформируемого тела дополнительные напряжения могут быть трех видов: напряжения первого рода, или зональные, уравновешивающиеся между отдельными зонами или частями тела; напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами данного тела; напряжения третьего рола, уравновешивающиеся в одном зерне.

Возникновение дополнительных напряжений третьего рода связывают с внутренним скольжением, искажением кристаллической решетки вблизи скользящих слоев, появлением участков затрудненной деформации у границ. Остаточные напряжения третьего рода могут достигать больших значений и поэтому существенно влиять на поведение материала как при изготовлении из него изделий, так и при эксплуатации. Дополнительные напряжения, взаимно уравновешенные в данном объеме тела, после снятия внешней нагрузки могут сохраняться в качестве остаточных напряжений, которые также могут быть первого, второго и третьего рода.

Большое влияние на появление дополнительных и остаточных напряжений при прокатке, ковке и других видах обработки оказывают внешние (жесткие) части деформируемого тела, т.е. части, которые в данный момент обработки не находятся непосредственно в очаге деформации.

Проводя прокатку полосы в цилиндрических валках в условиях неравномерной деформации, например по ее ширине (рис.1), можно проследить за последствием выравнивающего действия жестких концов на вытяжку: жесткие концы обеспечивают некоторое увеличение вытяжки слабо обжимаемых участков тела и уменьшают вытяжку сильно обжимаемых участков. Поэтому в зонах пониженною обжатия возникают растягивающие продольные напряжения (+), а в зонах повышенного обжатия - сжимающие продольные напряжения (-). В результате этого при прокатке в зонах повышенного обжатия металл может собираться в складки.

Рисунок 1 - Пример неравномерного деформирования по ширине при прокатке

В зонах пониженного обжатия при недостаточной прочности металла растягивающие напряжения могут вызывать появление периодических разрывов по длине деформируемого тела (рис 2)

Рисунок 2 - Результаты прокатки образца с разным соотношением толстых кромок и тонкой середины (а - до прокатки, б - после прокатки)

обработка металл давление деформация

Нередки случаи неравномерной деформации вследствие заметного различия свойств металле по площади сечения обрабатываемого тела. Примером таких условий деформации может служить прокатка неравномерно прогретого в нагревательных колодцах слитка. Если результирующее растягивающее напряжение превысит предел прочности металла центральной зоны произойдет разрыв этих участков, нередко выходящий наружу в виде сквозных отверстий, называемых "скворечниками" (рис.3).

Рисунок 3 - Сквозное отверстие в слябе, появившееся при прокатке непрогретого слитка на блюминге

Другим характерным примером неравномерной деформации по высоте обрабатываемого тела может служить прокатка хорошо прогретого слитка, но получившего резкое охлаждение поверхностных слоев. В этих слоях появляются растягивающие напряжения, которые при определенном их значении вызывают появление сетки тонких поверхностных трещин. Образование такого рода поверхностных дефектов можно наблюдать при горячей прокатке латуни и других металлов на валках с интенсивным охлаждением водой.

Примером неравномерной деформации, вызываемой контактным трением, может служить появление бочкообразности осаживаемого образца между параллельными плитами (рис.4). В данном случае слои металла, расположенные у контактной поверхности, задерживаются силами трения. Поэтому они получают менее развитую деформацию по сравнению со слоями, находящимися ближе к середине по высоте образца.

Отметим также, что по самой поверхности соприкосновения тела и инструмента силы трения распределяются неравномерно, возрастая от периферии к центральным участкам.

Рисунок 4 - Влияние контактного трения на деформацию образца между параллельными поверхностями (а - исходное состояние образца, б - осадка между несмазанными поверхностями, в - осадка между хорошо смазанными поверхностями)

При пластической деформации тела смещаемый металл по высоте имеет возможность перемещаться в различных направлениях по поверхности инструмента. Вполне очевидно, что преимущественное перемещение металла совпадает с направлением наименьшего сопротивления сил трения со стороны инструмента, и это положение называют законом наименьшего сопротивления.

Примеров неравномерной деформации, обусловленной формой деформируемого тела и формой рабочего инструмента, при таких способах обработки металла давлением, как прокатка, ковка и штамповка, можно привести достаточно много. Действительно, трудно себе представить получение на определенном этапе прокатки таких изделий со сложным профилем сечения, как, например, рельсы, балки, швеллеры и др., в условиях равномерной деформации. Прокатка данных профилей, как и многих других, протекает в условиях неравномерной деформации, которая называется деформацией, неравномерной по ширине.

2. Заготовки для прессования

Прессование - выдавливание металла заготовки, помещенного в толстостенный контейнер через отверстие в матрице.

Прессование отличается благоприятной для осуществления пластической деформации схемой напряженного состояния - всесторонним неравномерным сжатием.

При прессовании применяют либо литые слитки, либо слитки, обработанные давлением. В настоящее время в качестве заготовок для прессования используются следующие изделия:

а) круглые сплошные слитки;

б) круглые полые слитки;

в) плоские сплошные слитки.

Рисунок 5 - Схема резки литых столбов на мерные заготовки: 1 - заготовка; 2 - нижний неподвижный нож; 3 - верхний подвижный нож; 4 - упор

Перед началом процесса следует подготовить заготовку к этому процессу. Современная схема подготовки заготовок к прессованию состоит из следующих операций: нагрев неразрезанных и необточенных литых заготовок в виде столбов в нагревательных печах, обрезка (рис.5), скальпирование (рис.6) или обточка, а полые заготовки так же растачивают.

Нагрев осуществляют в индукционных или газовых печах. Температурные условия прессования влияют на величину сопротивления деформации и, как следствие, на характер истечения металла, силовые условия прессования а также на механические свойства и точность размеров поперечного сечения пресс-изделия. На температурные условия прессования прежде всего влияет распределение температур в заготовке при ее нагреве. В промышленных условиях, в зависимости от диаметра, допустимый перепад температуры перед загрузкой заготовки в контейнер не должен превышать 50°С. Большие перепады температур могут вызвать возникновение термических напряжений и, как следствие, растрескивание заготовки или пресс-изделия. Неравномерный нагрев и захолаживание поверхностных слоев металла существенно усложняет задачу получения пресс-изделий в большом диапазоне вытяжки из-за увеличения его сопротивления деформации, приводит к дополнительному короблению прутков в случае прессования сложных и фасонных профилей. Предварительный нагрев должен осуществляться в режиме обеспечивающем минимальную разность температур различных точек заготовки, а также протекания фазовых превращений в металле заготовки. Наиболее равномерный нагрев дают камерные электрические печи. При индукционном нагреве, в сечениях заготовки возникают значительные температурные градиенты. Вместе с тем неоспоримым достоинством индукционных печей является высокая скорость нагрева заготовок. Времени для нагрева заготовки в такой печи требуется в 3…5 раз меньше чем в электрической печи сопротивления. Это определило целесообразность постоянного использования индукционных установок для нагрева заготовок из сравнительно пластичных сталей. После выхода слитка из печи производится резка на куски необходимой длины. Круглые заготовки режутся на ножницах. Затем осуществляется механическая обработка - заготовку обтачивают на токарных станках или подвергают скальпированию.

Рисунок 6 - Схема скальпирования поверхностного слоя заготовок: 1 - заготовка; 2 - пресс-штемпель; 3 - матрица

Скальпирование представляет собой снятие поверхностного слоя заготовки на специальном оборудовании путем продавливания ее через матрицу. Причем диаметр матрицы определяется диаметром заготовки. Операцию скальпирования можно заменить обточкой на токарных станках. Но скальпирование имеет ряд преимуществ по сравнению с обточкой: повышение выхода годного; сокращение угара при переплавке отходов; повышение производительности; улучшение качества поверхности путем исключения различных загрязнений: эмульсии, смазки, которые скапливаются в бороздках от резца и т.д.

3. Горячая объемная штамповка

Под объемной штамповкой понимают процесс, при котором металл заготовки деформируется с изменением всех размеров заготовки, принимая форму рабочей поверхности специального инструмента - штампа. При этом форма и размеры рабочей полости (ручья) штампа полностью определяют конфигурацию изготовляемой поковки. Штампы по конструкции могут быть одноручьевыми - для деталей простой формы, и многоручьевыми - для сложных.

Горячая штамповка по сравнению с ковкой обладает рядом преимуществ. Прежде всего, значительно более высокая производительность, в десятки раз превышающая производительность свободной ковки; высокая точность и качество поверхности штампуемых поковок. При этом резко сокращается дальнейшая чистовая обработка резанием. Применение горячей штамповки взамен ковки обеспечивает массовый выпуск дешевой продукции благодаря значительному снижению расхода металла на поковки и трудоемкости их дальнейшей обработки.

Штамповкой получают детали исключительно сложной формы. Однако необходимо учитывать, что штамп годен только для изготовления той поковки, для которой он спроектирован, в отличие от универсального инструмента свободной ковки. Поэтому применение штамповки экономически выгодно лишь при серийном или массовом производстве.

Штампы представляют собой массивные толстостенные детали, в которых выполнены рабочие полости - гравюры.

Горячую объемную штамповку применяют в машиностроении и других отраслях промышленности для изготовления сложных по форме заготовок ответственных деталей машин из стали, цветных металлов и их сплавов.

Применяют два основных метода штамповки: в открытых штампах, с образованием облоя, и в закрытых штампах - безоблойную.

Различают открытые и закрытые штампы. В простейшем случае открытый штамп (рис.7 а) для цилиндрической детали имеет гравюру в одной половине, а вторая половина является плоским бойком. Если объем заготовки в точности равен объему полости гравюры (поковки), то заполнение гравюры будет идеальным (см. рис.7 б, в), однако практически трудно получить заготовку точного объема, поэтому ее выполняют несколько большей, чтобы гарантировать заполнение гравюры, как показано на рис.7 г…е. Избыток металла вытекает в разъем штампа в виде облоя (заусенца). Такую штамповку называют облойной, а штамп - облойным. Облой является отходом и подлежит удалению.

Чтобы легче извлечь поковку из штампа его стенки делают наклонными к разъему. Штамповочный уклон остается в виде напуска на теле поковки.

Закрытые штампы отличаются тем, что гравюра выполняется в одной из половин штампа, а вторая половина входит в первую, запирая ее. В таком штампе весь объем металла заготовки остается в поковке. Выход для облоя не предусмотрен. Штамп и штамповку называют безоблойными. Штампы подвергают чрезвычайно высоким нагрузкам - механическим и тепловым.

Поэтому штампы изготовляют из закаленной и отпущенной штамповой стали, легированной хромом, никелем. Стойкость горячих штампов невелика - 3000…10000 штук поковок. Учитывая высокую стоимость штампа, следует отметить, что горячая штамповка выгодна только для достаточно больших партий деталей.

Рисунок 7 - Штамповка в открытых (I) и в закрытых (II) штампах:

1 - плоский боек; 2 - штамп с гравюрой

Штамповку производят на различных машинах: штамповочных молотах, кривошипных горячештамповочных прессах, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных и горизонтально-гибочных машинах, ковочных вальцах и др.

Из штамповочных молотов наибольшее применение получили паровоздушные молоты двойного действия и приводные фрикционные молоты простого действия. Фрикционные молоты имеют более низкую производительность, чем паровоздушные.

Когда поковка несложной формы, ее штампуют сразу из проката (квадрат, круг, полоса). Для поковок сложной формы исходную заготовку изготовляют специально, чтобы получить максимальное подобие конфигурации заготовки и поковки. Эти операции производят свободной ковкой или штамповкой. Часто применяют многоручьевые штампы, имеющие несколько полостей (ручьев) для последовательной деформации заготовки. Технология штамповки может предусматривать последовательное использование рядя штампов, установленных на нескольких молотах или нескольких различных машинах: молотах и прессах, молотах и ковочных вальцах и т.д. В многоручьевых штампах, применяемых для получения заготовки, получаются следующие основные виды ручьев: штамповочные, заготовительные и отрубной (нож).

Штамповочные ручьи бывают окончательными (чистовыми) и предварительными (черновыми).

Заготовительные ручьи предназначены для перераспределения массы заготовки по главным осям поковки согласно распределению массы в поковке. К ним относятся формовочный, пережимной, подкатной, протяжной, гибочные ручьи.

Окончательный ручей, обязательный для любого штампа, предназначен для штамповки уже готовой поковки (с облоем). Деформация в нем невелика, что позволяет повысить точность размеров поковки.

После штамповки заготовку подвергают отделочным операциям: обрезке и зачистке облоя, правке, калибровке.

Обрезка облоя, образующегося на поковке по линии разъема в штампах, осуществляется в горячем или холодном состоянии в обрезных штампах на обрезных кривошипных прессах.

Штампованные поковки часто нуждаются в правке, так как после обрезки заусенцев может произойти искривление осей и искажение формы.

Правку средних и крупных поковок ведут в горячем состоянии, а мелкие поковки поддаются правке и в холодном состоянии. Операция правки проводится на штамповочных молотах в специальном правочном штампе или окончательном ручье, а также на кривошипных обрезных прессах.

Калибровка обеспечивает точные размеры и массу, а также качество поверхности поковки, что позволяет обойтись без дальнейшей механической обработки калиброванных поверхностей.

Размещено на Allbest.ru