|
|
«Технологии заготовительного производства в машиностроении. Обработка металлов давлением.». «Технологии заготовительного производства в машиностроении. Технологии заготовительного производства в машиностроении
4. Процессы обработки давлением.
Обработка металлов давлением заключается в изменении формы исходной заготовки в результате приложения внешнего давления и придания материалу требуемой формы, размеров и физико-механических свойств без нарушения его сплошности. Иными словами, обработка металлов давлением - это технологический процесс получения фасонных деталей и заготовок методом пластического деформирования в холодном или горячем состоянии.15
Процессы обработки давлением разделяют на две группы:
К процессам горячей деформации относят процессы, протекающие при температуре выше температуры рекристаллизации. При нагреве металла его способность к деформации увеличивается, а сопротивление деформации падает, поэтому процессы горячей обработки являются менее трудоёмкими и энергоёмкими. Однако изделия, полученные горячей обработкой, обладают худшим качеством поверхности (слой окисленного металла на поверхности, называемой окалиной) и меньшей точностью геометрических размеров по сравнению с изделиями, полученными методом холодной деформации.16 Правильный выбор температурного режима при формировании методами пластической деформации определяет качество заготовки или изделия.17 Например, нагревать металл до температур, близких к температуре плавления нельзя, т.к. развивается перегрев, состоящий в интенсивном росте зерна нагреваемого металла, и пережог, сопровождающийся окислением и оплавлением границ зёрен, нарушением связей между ними и как следствие, полной потерей пластичности. Пережог является неисправимым браком, такой металл совершенно непригоден к дальнейшей переработке или использованию. Таким образом, нагревать слитки или заготовки необходимо до значений температур, лежащих ниже тех, которые приводят к перегреву или к пережогу. С учётом требований технологии и окончательных свойств обрабатываемого металла устанавливается оптимальный интервал температур нагрева (начала деформации) и окончания процесса ОМД. Нагрев желательно осуществлять с наибольшей скоростью, т.е. за возможно короткое время. При этом в меньшей степени происходит рост зерна, снижаются отходы металла на угар (образование окалины за счёт взаимодействия с кислородом атмосферы печи), меньше углерода выгорает с поверхности заготовок. Температура посадки металла в нагревательное устройство и скорость нагрева определяются его пластичностью и теплопроводностью в соответствующем температурном интервале. 18
Холодная пластическая деформации это обработка металла давлением при температурах ниже температуры кристаллизации. При деформации в холодном состоянии механические и физико-химические свойства металла непрерывно изменяются; твёрдость, прочность и хрупкость увеличиваются, а пластичность вязкость, плотность, коррозийная стойкость и электропроводность уменьшаются. Это изменение свойств, связанное с деформацией в холодном состоянии, называют наклёп. В холодном состоянии давлением обрабатывают только тонкие листовые и полосовые заготовки из стали и заготовки цветных металлов и их сплавов.19
5. Наклёп, возврат и рекристаллизация.
Процесс пластической деформации сопровождается изменением и измельчением формы зёрен, образованием определённой их ориентации – текстуры. Вследствие неравномерности деформации различно ориентированных зёрен, а также между отдельными участками деформируемой заготовки возникают внутренние напряжения. Области, окружающие плоскости сдвига или двойникования кристаллических решёток, вследствие их искажения, дробления кристаллитов оказываются более прочными, чем те, где этих изменений не произошло. В результате указанных изменений и возникновения внутренних напряжений образуется наклёп - упрочнение, заключающееся в изменении физико-механических свойств металла.20 В результате наклёпа механические свойства меняются весьма существенно: например, при степени деформации =70% среднеуглеродистой стали её временное сопротивление в увеличивается примерно в 2 раза, а относительное удлинение уменьшается с 30 до 2%.
Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклёпа приводит к тому, что свободная энергия металла растёт и он приходит в неравновесное, неустойчивое состояние Длительная выдержка при комнатной температуре, а тем более нагрев должны способствовать переходу металла в более устойчивое структурное состояние.21 При нагреве наклёпанного металла происходят процессы разупрочнения, к которым относятся возврат и рекристаллизация. Возврат представляет собой частичное устранение искажений в кристаллической решётке и снятия части внутренних напряжений. Деформированная микроструктура при возврате не изменяется, но прочностные свойства несколько уменьшаются, а пластические частично увеличиваются. Тв=(0,25-0,3)Тпл, где Тпл – абсолютная температура плавления. 22 Возврат происходит уже при небольшом нагреве (до 400 оС для железа).23
Значительно большее значение в процессе разупрочнения имеет рекристаллизация, которая представляет собой возникновение при дальнейшем нагреве деформированного металла новых центров кристаллизации и зарождение вокруг них новых зёрен с образованием новых границ между ними. Новые зёрна возникают на границах блоков и старых зёрен, т.е. там, где решётка наиболее искажена при наклёпе. В результате металл приобретает равновесную поликристаллическую структуру, восстанавливает пластические свойства и становится способным к дальнейшей пластической деформации (первичная рекристаллизация). Скорость рекристаллизации зависит от температуры плавления металла и степени его деформации. Эта зависимость установлена академиком А.А. Бочваром. Для чистых металлов она составляет: Тр(0,30,4)Тпл. Для железа Тр
150 оС; алюминия
100 оС; для свинца
33 оС. Для сплавов может достигать Тр=0,8Тпл, т.к. в сплавах примеси взаимодействуют с дислокациями и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование зародышей новых зёрен и тормозит рекристаллизацию.24 Процесс первичной рекристаллизации термодинамически выгоден, т.к. при переходе деформированного металла в более устойчивое равновесное состояние сопровождается уменьшением свободной энергии. Последующий рост температуры приводит ко второй стадии рекристаллизации – собирательной, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зёрен. При укрупнении зёрен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу металла в более равновесное состояние. Движущей силой собирательной рекристаллизации является снижение поверхностной энергии.
Размер зёрен оказывает большое влияние на свойства металла. Образование крупных зёрен снижает механические свойства. Величина зерна при собирательной рекристаллизации зависит от температуры нагрева, степени предшествующей пластической деформации и, в меньшей степени, от длительности выдержки при нагреве. Наиболее крупные зёрна возникают при небольшой предварительной деформации (до 15%), которую называют критической. 25
Основанием для правильного выбора температурного режима при обработке давлением является диаграмма состояния сплавов. Впервые критические точки и температурный интервал горячей обработки давлением стали были установлены знаменитым русским учёным Д.К. Черновым в 1858 году на Обуховском заводе. Он установил, что температуру начала и конца горячего деформирования определяют в зависимости от температуры плавления и рекристаллизации, т.е. начальная температура должна быть ниже температуры плавления, а конечная – выше температуры рекристаллизации. Например, для углеродистой стали температуру начала горячего деформирования выбирают по диаграмме состояния железо-углерод на 100-200 оС ниже температуры начала плавления стали заданного химического состава, а температуру конца деформирования углеродистых сталей принимают на 50-100 оС выше температуры рекристаллизации или определяют по эмпирической формуле t=100(9,1-1,1C) оС, где С – содержание углерода в процентах. Наибольшую температуру нагрева стали с содержанием 0,1%С принимают равной 1350 оС; 0,2%С-1270 оС; 0,6%С-1200-1180 оС; 1%-1120-1100 оС. 26
6. Хрупкое и вязкое разрушение.
Заключительная стадия деформирования материалов – стадия разрушения – стала объектом исследования сравнительно недавно, т.к. раньше считали, что после появления трещин в материале изделие нельзя использовать. В настоящее время выявлено, что стадия разрушения с момента появления повреждения может составлять до 90% долговечности конструкции.
Разрушение твёрдого тела представляет собой процесс разделения его на части под действием нагрузки, который также может сопровождаться термическими, радиационными, коррозийными и другими воздействиями. На атомном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей с образованием новых поверхностей. Характер разрушения зависит от кристаллической структуры металла, температуры, скорости деформации, напряжённого состояния, чистоты металла и т.д.
В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений:
хрупкое: отсутствие пластической деформации или при её незначительном развитии перед разрушением, происходит путём отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям;
вязкое:металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию, происходит путём сдвига под действием касательных напряжений, плоскость скольжения расположена под углом 45о к направлению главных нормальных напряжений.27
Критерии выбора технологических методов обработки материалов давлением.
Широкое распространение методов пластической деформации обусловливается их высокой производительностью, сравнительно низкой энергоемкостью, обеспечением высокого качества изделий, незначительными потерями металла при производстве изделий, а также возможностью получения не только заданной формы, но и заданных механических свойств изделия. Это выгодно отличает процессы ОМД по сравнению, например, с обработкой металла резанием, когда требуемую форму изделия получают удалением значительной части заготовки в стружку. Существенным достоинством пластической обработки является значительное улучшение свойств металла в процессе деформирования. Поэтому большое распространение обработка металлов давлением получила в машиностроении.
Важной задачей технологии является получение заготовок, приближающихся по форме и размерам к готовым деталям. Заготовки, получаемые методом пластической деформации, имеют минимальные припуски на механическую обработку, а иногда не требуют такой обработки.
Обработка металлов давлением заготовок деталей машин является одним из распространённых и прогрессивных способов обработки, т.к. по сравнению с другими способами обеспечивает меньшие потери металла, относительно малую трудоёмкость, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов.28
Методы обработки поверхностей заготовок без снятия стружки за счёт пластической деформации всё более широко используются при изготовлении ответственных деталей. Это обусловлено тем, что в процессе пластической деформации происходит упрочнение обрабатываемой поверхности, а за счёт пластического смятия микровыступов и заполнения этим металлом микровпадин происходит значительное уменьшение шероховатости поверхностей, резко увеличивается способность деталей сопротивляться знакопеременным циклическим нагрузкам, существенно возрастает коррозийная стойкость и износостойкость, сокращается период приработки деталей.29
Прокатное производство.
1. Основные технологические процессы.
Прокатка является наиболее распространённым и экономичным способом обработки металлов давлением. Сущность процесса прокатки заключается в деформировании металла (заготовки) путём обжатия его между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего происходит изменение формы заготовки (уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается её длина).30
Валки для прокатки отливают из отбелённого чугуна или выковывают из углеродистой и легированной сталей. Их делают гладкими или калиброванными, с ручьями (канавками) по окружности. Первые (листовые) применяют при прокатке листов, вторые (сортовые) для сортового и фасонного проката.31 Калибровкой называется последовательное расположение на валках ручьёв, обеспечивающее получение готового профиля заданных размеров. В практике прокатного производства используют различные виды калибров: обжимные (вытяжные), черновые (подготовительные), предотделочные (предчистовые), отделочные (чистовые).32
Необходимое для деформации давление возникает от того, что расстояние (зазор) между валками меньше, чем толщина заготовки. Вращающиеся валки вследствие трения захватывают заготовку, втягивают её в зазор между валками и обжимают металл, одновременно выполняя движения подачи. В результате получается лист, полоса или профиль требуемого сечения.
Прокатка подразделяется на горячую (с предварительным нагревом металла) и холодную. Горячая прокатка более производительная и экономически выгодна, чем холодная, однако холодная прокатка обеспечивает значительно более высокую точность и часто является чистовым этапом производства листов, труб и профилей.
При прокатке сохраняется условие постоянства объёма металла; металл обжимается, в результате чего толщина полосы уменьшается, а её длина и ширина увеличиваются. Разность между исходной h0 и конечной h1 толщинами деформируемой заготовки называют абсолютным обжатием:
h=h0-h1
Разность между конечной b1 и исходной b0 ширинами называют абсолютным уширением:
b=b1-b0
Степень деформации при прокатке характеризуют следующие показатели:
относительное обжатие – отношение абсолютного обжатия к исходной толщине:
=h/h0
коэффициент уширения – отношение между конечной и исходной ширинами b1/b0
коэффициент обжатия – отношение исходной толщины к конечной:
= h0/h1
коэффициент вытяжки – отношение длины прокатки l1 к исходной длине l0:
=l1/l0
При постоянном обжатии уширение тем больше, чем меньше вытяжка, и наоборот. Угол захвата определяется по формуле:
Cos = 1- (h0-h1)/2R = 1-h/D.
Эта формула выражает зависимость между углом захвата , обжатием h и диаметром валков D.33
2. Классификация прокатных станов.
Прокатка осуществляется на прокатных станах. Прокатный стан – сложный агрегат, состоящий из одной или нескольких прокатных линий. Линией прокатного стана называется комплексная установка, состоящая из рабочей клети, шпинделей, шестеренной клети, коренной муфты, редуктора, маховика, моторной муфты, двигателя.
По назначению продукции прокатные станы различают:
сортовые (обжимные (блюминги - производство сортовой заготовки), заготовочные, крупно-, средне- и мелкосортные рельсобалочные, проволочные)
листовые (обжимные (слябинги – производство листовой заготовки), броневые, толсто-, средне-, тонколистовые, ленточные, жестепрокатные)
трубопрокатные (для сварных (шовных) и бесшовных труб)
специальные (колесные, бандажные)
По количеству валков в клети:
двухвалковые (дуо)
трёхвалковые (трио)
четырёхвалковые (кварто)
многовалковые
универсальные
По количеству рабочих клетей и их расположению станы подразделяют на:
одноклетьевые станы с клетями, расположенными в одну линию и имеющие одинаковое число оборотов
станы с клетями, расположенными в две линии, у которых на чистовых клетях повышенное число оборотов и скорость прокатки
станы со ступенчатым расположением клетей.
Скорость чистовых клетей увеличена; станы с непрерывным расположением клетей или «непрерывные» станы, у которых каждая клеть является самостоятельной линией. Металл проходит все клети последовательно. Скорость к концу прокатки возрастает.34
Двухвалковые станы бывают реверсивные (прокатка заготовки ведётся в обе стороны) и нереверсивные (прокатка ведётся в одну сторону, для повторных пропусков заготовка возвращается через верхний валок). Трёхвалковые станы имеют в рабочей клети три валка с постоянным направлением вращения. Прокатка заготовок на таких станах ведётся в одну сторону между нижним и средним валками, в другую – между средним и верхним. Трио-станы с плавающим валком применяются, главным образом, для прокатки листов. В четырёх- и шестивалковых станах верхние и нижние валки являются опорными, они препятствуют прогибу средних рабочих валков; эта схема применяется у листовых станов.
Шестивалковые станы служат для холодной прокатки тонких и узких лент с жёсткими допусками, двенадцати (и более)-валковые предназначены для производства фольги высокой точности вхолодную. Универсальные станы имеют горизонтальные и вертикальные валки и обеспечивают обжатие четырёх сторон. Они применяются для слябов, а также прокатки крупных двутавровых балок.35
|
|
|
Скачать 347.5 Kb.