Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
5. Методы обработки металлов давлением Благодаря пластичности металлов, проявляющейся при деформации в холодном или горячем состоянии, можно изменять форму исходной заготовки, полученной, естественно, каким либо другим методом. Возможность обработки металлов давлением во многом определяет их широкое применение. Это технологическое свойство настолько существенно, что когда-то даже было основой определения металла (Металл - это светлое тело, которое можно ковать). При пластической деформации металла происходит смещение атомных слоев друг относительно друга внутри кристаллов и смещение кристаллов относительно друг друга. Важной особенностью этого вида деформации является отсутствие разрушения. Конечно разные металлы и их сплавы обладают различной способностью деформироваться без разрушения. Пластичность металлов оценивается величиной относительного удлинения стандартного образца при разрыве. Эта величина у пластичных металлов колеблется от 10 до 50 %. В настоящее время разработаны сверхпластичные сплавы, относительное удлинение которых при разрыве может достигать сотен процентов. К сплавам, обладающим высокой пластичностью, которые могут обрабатываться методами давления относятся: низкоуглеродистые ста- ли, сплавы алюминия, меди (латуни), многие легированные стали. Пластичность металлов существенно увеличивается при их нагреве, поэтому обработку давлением в основном производят в "горячем" состоянии. При нагреве кроме того существенно снижается прочность металлов, поэтому усилия для их деформирования значительно ниже, что позволяет применять более простое оборудование и инструмент. Наиболее распространенными технологическими методами обработки металлов давлением являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. 5.1 Прокатка Более 80% производимой стали и около 50% цветных металлов перерабатывается прокаткой. Таким способом (рис.5.1) получают длинные заготовки определенного профиля - сортамент. Эти изделия служат заготовками для производства различных деталей машин или имеют собственное применение - трубы, рельсы, профили для строительных конструкций. Прокаткой получают листовой материал, который после дальнейшей обработки применяется для производства корпусов судов, машин, самолетов и т.д. Рис.5.1 Оборудование - прокатные станы. Станы для производства заготовок для последующего получения сортамента называются блюминги, а для производства заготовок под последующий листовой прокат - слябинги. В качестве заготовок на этих станах используются слитки. Естественно, что для снижения расхода энергии рационально прокатывать слитки в горячем состоянии, после разливки металла и его затвердевании. Поэтому такие станы обычно устанавливаются на металлургических комбинатах, производящих (варящих) сплав (сталь). Технологические возможности прокатки 1.Возможна прокатка только пластичных металлов в горячем или холодном состоянии (фольга является продуктом прокатки чистого алюминия в холодном состоянии). 2.Форма. Форма (рис.5.2) может быть достаточно сложной, но существуют существенные ограничения, связанные с условиями прохода металла через прокатные валки. Трудно получить поверхности перпендикулярные осям прокатных валков, поэтому необходимо предусматривать специальный наклон таких стенок. Трудно или иногда невозможно получать профили сортамента с закрытыми, замкнутыми поверхностями. 3. Размеры. Диапазон размеров (толщин) прокатываемого металла довольно широк. От толстолистового проката (>200мм) до фольги толщиной до 0,001мм. 4.Точность. Если при прокатке в горячем состоянии точность составляет десятые доли мм, что сооответствует 12-14 квалитетам точности, то при прокатке без нагрева точность может быть существенно выше и при прокатке фольги достигает тысячных долей милиметра. 5.Шероховатость. Также зависит от наличия нагрева и при горячей прокатке шероховатость существенно выше (до Rz 320), при холодной же прокатке (фольга) может быть получена весьма низкая шероховатость (менее Ra0,63). Рис.5.2 5.2 Прессование Прессованием называется процесс выдавливания металла из замкнутой полости (контейнера) через профильное отверстие матрицы (рис.5.3). Оборудование. Горизонтальные и вертикальные гидравлические прессы с усилием 300-25000 тонн. Матрицы, пуансоны для прессования изготавливают из особопрочных сталей и сплавов, так как давления при прессовании весьма велики. Поэтому таким методом получают в основном изделия из алюминиевых и медных сплавов. Форма получаемого профиля может быть весьма сложной, этот метод обеспечивает получение наиболее сложных профилей, таких как оребренные трубы для теплообменных аппаратов, строительные профили (профили рам из легких сплавов). Точность и качество поверхности получаемых профилей также весьма высоки, так как практически определяются качеством матрицы, точность и шероховатость поверхностей которой может быть достигнута в процессе изготовления. Конечно в процессе работы матрица изнашивается, что ухудшает вышеуказанные параметры изделия. Рис.5.3 5.3 Волочение Процесс обжатия металла заготовки при протаскивании ее через волоку - инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки (Рис.5.4). В результате процесса поперечное сечение заготовки уменьшается , а длина ее увеличивается. Волочение применяется без нагрева заготовки для получения тонкой проволоки (от 0,002мм до 4мм). За один цикл обжатия в волоке нельзя значительно уменьшить сечение заготовки, так как усилие может быть приложено только к выходящему из волоки концу заготовки и , при чрезмерном усилии, проволока может просто порваться. Волочением можно также калибровать (с целью повышения точности) прутки различного профиля, тонкостенные трубы и т.д. Оборудованием являются специальные волочильные станы, на которых за один цикл проволока может получать несколько обжатий. Заготовками для волочения является продукция прокатного производства (проволока "катанка" диаметром 6мм). Рис.5.4 Волочением получают всю проволоку для электротехнической и электронной промышленности, стальную проволоку для машиностроения, строительства и т.д. Точность профиля достигает 6 квалитета, а шероховатость поверхности может быть обеспечена менее 0,32мкм. Волоки, работающие в чрезвычайно напряженном режиме и подвергающиеся интенсивному истиранию, выполняются из сверхтвердых металлокерамических сплавов и кристаллов (алмаз). 5.4 Ковка Ковкой называется процесс горячей обработки металлов давлением, при котором на заготовку воздействуют ударами кувалды, бойка молота , нажатием бойка пресса или другим универсальным инструментом. Исходная заготовка при ковке - слиток или отрезок проката. Ручная ковка в настоящее время применяется в ремонтных работах и художественной обработке металла. Машинная ковка осуществляется на кузнечно-прессовых машинах: ковочных молотах с массой падающих частей от 0,5 до 16т, ковочных прессах с усилием от 500 до 100000т. Рис.5.5 Технологические возможности Материал заготовки. В основном производятся стальные поковки, которые куются при температуре 900-1300°С. Хотя ограничено производятся поковки из цветных материалов. Свойства материала при ковке значительно улучшаются, так как происходит дробление кристаллов металла, выравнивание химического состава, может быть создана целесообразно направленная мелкокристаллическая структура металла. Поэтому в ряде случаев ковку применяют при изготовлении заготовок ответственных деталей машин (валов, роторов турбин, стволов пушек...). Форма получаемых в промышленности изделий обычно весьма проста, хотя в художественной ковке форма ограничена только фантазией художника. Размеры заготовок могут быть очень велики. Например, поковка гребного вала корабля, ротора крупной турбины. Масса поковок может составлять десятки тонн. Конечно невозможно было бы пластически деформировать такую огромную заготовку всю целиком из-за отсутствия соответствующего оборудования, но при ковке возможна местная пластическая деформация заготовки и, естественно, крупногабаритные поковки проковывают последовательно по участкам. Точность поковок соответствует 14 квалитету и грубее, а шероховатость поверхности обычно весьма высока (> 300мкм), поэтому поковки обрабатываются резанием и другими методами при получении из них деталей машин. Применение при ковке универсального инструмента значительно удешевляет подготовку производства, поэтому ковка применяется в индивидуальном и мелкосерийном производстве. 5.5 Горячая объемная штамповка При этой обработке металл заготовки деформируется во всем объеме, причем течение его ограничивается полостью штампа. При этом форма получаемого изделия соответствует форме штампа. Естественно, что по сравнению со свободной ковкой процесс значительно более производителен, но требует изготовления специальной оснастки штампов (рис.5.6). Поэтому в основном применяется в серийном и массовом производстве. Рис.5.6 Деформация всего обьема заготовки требует , несмотря на ее нагрев, значительных усилий, действующих на штамп, поэтому габариты (масса ) заготовок обычно ограничена (менее 250кг). Материал при высоких степенях пластической деформации также как и при ковке уплотняется, измельчается зерно, что приводит к улучшению механических свойств изделия. Поэтому процесс применяется при производстве заготовок весьма ответственных изделий: валов, зубчатых колес, турбинных лопаток и т.д. Точность получаемых заготовок также значительно выше, чем при ковке и достигает 12 квалитета. Шероховатость же поверхности, из-за наличия окалины на поверхности нагретой заготовки высока ( 100 - 500мкм). Обьемная штамповка иногда проводится в холодном состоянии и в этом случае точность и шероховатость могут быть значительно улучшены. Однако трудно обеспечить большую степень пластической деформации заготовки и инструмент (штамп) быстро изнашивается. 5.6 Листовая штамповка Листовой штамповкой называется процесс деформации листовой заготовки на прессе с помощью штампа. При штамповке вырубке (рис.5.7) происходит срез материала между краями сложноконтурного пуансона и эквидистантной к нему по контуру матрицей. Пуансон и матрица выполняются из материалов значительно более твердых, чем материал заготовки (закаленная сталь, металлокерамический твердый сплав). Обычно тонколистовой материал (< 10мм) вырубают без подогрева заготовки, при большей же толщине требуется подогрев. Таким образом производятся заготовки сложного контура из пластичных металлов. Размеры заготовок определяются размерами штампов и обычно не превышают 1м. Точность определяется точностью изготовления матрицы и может достигать 6-7 квалитетов. Шероховатость же поверхности среза в зоне разрушения материала высока, но может быть уменьшена с помощью специальных приемов (чистовая штамповка вырубка). Рис.5.7 Штамповка вырубка широко применяется в машиностроении, радиоэлектронной промышленности, аэрокосмической промышленности. Штамповка вытяжка (рис.5.8) позволяет создавать из плоского листа объемные детали за счет значительной пластической деформации, при которой происходит не только гибка, но и вытяжка материала со значительным изменением его толщины. Поэтому такой метод обработки позволяет обрабатывать только особо пластичные материалы (малоуглеродистая сталь <0,1%C, алюминиевые сплавы, латунь). Штамповке вытяжке обычно предшествует штамповка вырубка для получения контурной плоской заготовки. Как штамповка вытяжка, так и вырубка чрезвычайно производительные процессы ( до нескольких сот заготовок в минуту). Поэтому они применяются в серийном и массовом производстве. Штамповкой вытяжкой получают детали кузова автомобиля, металлическую посуду, боеприпасы, консервные банки и многое другое. Рис.5.8 Применение их в мелкосерийном и индивидуальном производстве экономически не целесообразно в связи со значительными затратами на подготовку производства (стоимость штампов). Вопросы для самопроверки: 1.Какие свойства материала определяют возможность обработки его методами давления? 2.Какой вид заготовок используют при прокатке? 3.Какими факторами определяется точность профиля прессованных изделий? 4.Почему при волочении невозможно получить большую степень утонения (обжатия) заготовки? 5.Почему ограничена сверху масса получаемых объемной горячей штамповкой заготовок? 6.От чего зависит точность контура заготовки при штамповке вырубке? 7. Какое свойство материала заготовки определяет возможность применения для ее обработки штамповки вытяжки? 8.Почему в индивидуальном производстве нецелесообразно применение горячей объемной штамповки? 9. Какие материалы перерабатываются методом прессования? 10. С какой целью нагревают материал при обработке давлением? Образец карты тестового контроля: 1. Какие изделия получают прокаткой: а). рельсы, прутки б). листы, кастрюли в). втулки, зубчатые колеса 2. Изделия какой массы можно получить горячей объемной штамповкой: а). более 1000 кг б). менее 250 кг в). менее 10 кг 3. Каким способом получают стальную проволоку ∅2мм а). прокаткой б). волочением в). прессованием 4. Каким способом изготавливают алюминиевые кастрюли: а). штамповкой вырубкой б). штамповкой вытяжкой в). объемной штамповкой 5. Какой способ обработки давлением позволяет получать наиболее сложные по форме изделия: а). прокатка б). прессование в). волочение 6. Сварка Сварка металлов - это технологический процесс получения неразьемных соединений за счет создания межатомных связей. Межатомные связи между частями заготовок могут быть получены в результате совместной кристаллизации после расплавления определенных зон соединяемых частей, за счет местной пластической деформации и при взаимной диффузии атомов соединяемых частей. В зависимости от температуры нагрева соединяемых частей заготовки, различают сварку плавлением и термо-механическую сварку. Сварка применяется для создания сложных по форме заготовок и деталей, при больших габаритах изделий, при необходимости электрического контакта между частями изделия. Практическое применение сварка нашла во всех отраслях промышленности: машиностроении, судостроении, приборостроении, строительстве и т.д. 6.1 Сварка плавлением Основная проблема при сварке плавлением - обеспечить расплавление локальных зон соединяемых частей при сохранении формы и свойств материала основной (большей) части заготовок. Для обеспечения этого условия необходим мощный локальный источник нагрева в качестве которого может выступать электрическая дуга, плазменная струя, лазерный луч и поток электронов. Электродуговая сварка Разработана русскими учеными Бенардосом Н.Н., Петровым В.В. Применяется в двух видах : сварка неплавящимся электродом и сварка плавящимся электродом (рис.6.1). Рис.6.1 Сварка плавлением обычно возможна только в тех случаях , когда свариваемые металлы образуют при расплавлении единую сварочную ванну, т.е. растворяются друг в друге в жидком состоянии. Поэтому применяется для сварки однородных металлов. Такая сварка применяется в основном в индивидуальном производстве, при ремонте и сварке малоуглеродистых сталей в полевых условиях. Автоматическая сварка под слоем флюса (рис.6.2) позволяет значительно увеличить мощность сварочной дуги, что позволяет за один проход сваривать стальные листы толщиной до 25мм. Горение дуги под слоем флюса позволяет защитить свариваемый металл от окисления. Такая сварка может быть полностью автоматизирована. При этом перемещение сварочной дуги (всего аппарата относительно заготовки, перемещение проволоки в зону дуги) обеспечивается специальными следящими системами. Применяется при сварке стальных конструкций (корпуса химических агрегатов, цистерны, корпуса судов и т.д.) Рис.6.2 Установка движется относительно детали со скоростью образования сварного шва. Проволока, являющаяся плавящимся электродом, подается со скоростью ее плавления, таким образом, чтобы длина электрической дуги оставалась постоянной. Электродуговая сварка в защитном газе (рис.6.3) применяется в тех случаях, когда свариваемые металлы очень активны химически и при высокой температуре интенсивно взаимодействуют с кислородом воздуха ( окисляются или даже сгорают). К таким металлам относятся сплавы на основе алюминия, титана и ряда других, редко применяемых в технике. При этом виде сварки поток защитного газа должен омывать нагретые участки сварного шва и зону горения сварочной дуги, так как в ней непосредственно происходит плавление присадочной проволоки, выполненной из того же, что и свариваемые заготовки, материала. В качестве защитных применяются обычно инертные газы (аргон, гелий). При сварке стали высокой эффективностью в качестве защитного обладает углекислый газ. Расход защитного газа существенно удорожает получение сварных конструкций этим методом. Такой вид сварки широко применяется в судостроении, машиностроении, аэрокосмической промышленности. Рис.6.3 Газовая сварка (рис.6.4) Конечно расплавить металл в зоне сварного шва можно не только электрической дугой , но и пламенем, образующимся при сгорании некоторых газов в кислороде. Так при горении в кислороде водорода, ацетилена и ряда других, реже используемых газов, температура пламени превышает 3000°С. Однако пламя конечно является менее концентрированным источником энергии, поэтому таким методом можно сваривать только тонкие заготовки (< 5мм). Применяется такая сварка весьма ограниченно: в полевых условиях, где отсутствуют источники электрического тока, в строительстве (сварка трубопроводов в труднодоступных местах ) и т.д. |