Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
13.2. Процессы, завершающие металлургический цикл Прокатка Прокатка - процесс пластической деформации заготовки между вращающимися валками с целью получения заданных форм, размеров и физико-механических свойств. Прокатку принято делить на продольную и специальную. Специальные виды прокатки: поперечная, поперечно-винтовая, поперечно-клиновая, а также профилирование плоского проката (листов и лент). Продольной прокатке подвергают до 75…80 всей выплавляемой стали и большую часть сплавов цветных металлов. При продольной прокатке ( рис. 13.2) заготовка 1 подается к двум вращающимся в разные стороны валкам 2. Оси валков параллельны, заготовка движется поступательно. 271 Рис. 13.2. Схема продольной прокатки: а - установившийся процесс; б - силы, действующие на заготовку в момент захвата; 1 – заготовка; 2 – валок; N – нормальная сила; Т – сила трения; R – равнодействующая сила; А-В – дуга захвата; - угол захвата; - угол трения; h n-1 , b n-1 – толщина и ширина заготовки; hn, bn – толщина и ширина изделия; D – диаметр валка. В точках соприкосновения заготовки с валками возникает нормальная сила N, направленная по радиусу, и сила трения «Т», направленная по касательной к окружности. Сила R - равнодействующая сил N и Т. Дугу АВ называют дугой захвата, центральный угол - углом захвата, угол между силами N и R - углом трения, tg = - коэффициентом трения при пластической деформации. В зависимости от значений сил N и Т равнодействующая R может быть направлена по разному. Если проекция R на направление прокатки (R Х ) направлена в сторону, противоположную направлению вращения валков ( > ), то валки оттолкнут заготовку. Если R Х =0 ( = ), то произойдет проскальзывание заготовки в валках. Если R Х направлена в сторону вращения валков ( < ), то произойдет захват заготовки валками и осуществится процесс прокатки. Для практических расчетов более удобно использовать 272 неравенство: µ tgα. Осевая сила для облегчения захвата металла валками при продольной прокатке, как правило, не прикладывается. Значение коэффициента трения зависит от физической природы и состояния контактных поверхностей обрабатываемого металла и валков, термомеханического режима обработки и других факторов. Процесс поперечной прокатки осуществляют на двух ( рис. 13.3, а) или трех вращающихся в одну сторону валках 1. Заготовка 2 в виде прутка, кольца или трубы круглого сечения в процессе прокатки вращается в другую сторону. Оси валков и заготовки параллельны, в процессе прокатки обычно сближаются. Процесс поперечно-винтовой прокатки осуществляют на двух или трех ( рис. 13.3, б) косорасположенных валках, вращающихся в одну сторону. Оси валков могут пересекаться или скрещиваться. В процессе прокатки заготовка получает вращательное, противоположную по отношению к валкам сторону, и поступательное движение. Если сил трения для обеспечения захвата металла валками при поперечно-винтовой прокатке недостаточно, то к заготовке прикладывают осевое усилие лили на начальном этапе, или на протяжении всего процесса прокатки. При прокатке в двух валках для устойчивости положения заготовки устанавливают направляющие холостые валки или направляющие линейки. 273 Рис. 13.3. Схемы прокатки: а – поперечной в двух валках; б - поперечно- винтовой прокатки профиля переменного по длине сечения с пересекающимися осями валков; 1 - валок; 2 - заготовка; 3 – изделие; ωВ - направление вращения валков; ωЗ, VЗ - вращательное, и поступательное движения заготовки; Р – осевая сила. Процесс поперечно-клиновой осуществляют двумя валками с клиновыми ручьями ( рис. 13.4), оси валков и заготовки параллельны. Валки вращаются в одну сторону, заготовка в другую. Заготовка кроме вращательного, получает поступательное движение, ручьи обычно вытачивают не на валке, а на сменных сегментах, закрепленных на валках. Продукция, получаемая прокаткой, называется прокатом. Перечень выпускаемого проката с указанием профиля, размеров и допусков на них называется сортаментом. Сортамент проката принято делить на четыре группы: сортовой прокат, плоский прокат, трубы и специальные виды проката. 274 Рис. 13.4. Схема поперечно-клиновой прокатки: 1 - нижний валок; 2, 3 - клиновые ручьи; 4 - верхний валок; 5 – заготовка; n В - направление вращения валков; n З - вращательное движение заготовки. Продольной прокаткой получают сортовой, плоский и трубный прокат. Сортовой прокат имеет постоянное по длине сечение простой или сложной формы. Его, как правило, получают горячей прокаткой. К профилям простой геометрической формы относятся блюм, квадрат (сторона квадрата 6…250 мм и более), круг (диаметр 4…300 мм), прямоугольник (толщина 1…60 мм, ширина 10…600 мм), правильный многоугольник (в т.ч. шестигранник), треугольник, овал, полукруг, сегмент, ромб. Простой сортовой прокат может служить исходным материалом для прокатки фасонных профилей, волочения прутков и проволоки, заготовок для горячей и холодной объемной штамповки и для изготовления деталей обработкой резанием. Прямолинейный прокат называют прутком. Прокат в виде проволоки, свернутой в бухту называют катанкой. Катанку выпускают диаметром от 4 до 35 мм, используют для получения деталей обработкой резанием, производства проволоки волочением, для объемной штамповки. Катанку диаметром до 35 мм применяют для горячей и холодной объемной штамповкой на автоматах, что позволяет, по сравнению с прутками, увеличить производительность, сократить технологические отходы, улучшить условия работы автомата. Катанку и прутки, подвергнутые одной или нескольким протяжкам для повышения точности размеров сечения и 275 качества поверхности, называют калиброванным прокатом. Калиброванный прокат необходим для холодной объемной штамповки. Фасонные профили (уголок равнобокий и неравнобокий, швеллер, двутавр, тавр, рельс, зетовый профиль, колонный профиль) широко применяют в строительстве, машиностроении, в тракторо- и сельхозмашиностроении. Плоский прокат - листы, ленты и фольга (листы или ленты толщиной менее 0,1 мм). Листы выпускают горячекатаные и холоднокатаные. Ленты и фольга, как правило, холоднокатаные. Наибольшее применение для листовой штамповки кузовных и других деталей в автостроении имеют ленты и листы (в рулонах) холоднокатаные толщиной от 0,05…4 мм и шириной 200…2300 мм. Применение лент и рулонного проката обеспечивает повышение: производительности штамповочного оборудования; качества изделий и улучшение условий работы инструмента (за счет использования при прокатке современных средств повышения качества и точности проката); уменьшение технологических отходов. Трубы выпускают бесшовные горячекатаные и холоднокатаные с наружным диаметром 5…650 мм при толщине стенок от 0,5 мм (холоднокатаные) до 40 мм, также трубы сварные, свернутые из листа или ленты, с наружным диаметром до 2000 мм и более при толщине стенки до 15 мм. Трубы сварные значительно уступают по надежности в эксплуатации трубам бесшовным, но они дешевле, их сортамент в области больших диаметров значительно шире. Надежность в эксплуатации сварных труб может быть значительно повышена специальными видами обработки давлением. Заготовки для продольной прокатки бесшовных труб из стали получают горячей поперечно-винтовой прокаткой; из алюминия, меди, никеля, титана и сплавов на их основе - прессованием; из вольфрама, молибдена и других тугоплавких металлов и сплавов - методами порошковой металлургии. Продольной прокаткой изготавливают ограниченное количество по массе и сортаменту профилей переменного по длине сечения. Поперечной прокаткой получают заготовки цилиндрических шестерен с зубьями (модуль 7…15 мм 276 при горячей деформации, модуль 5…7 мм при холодной), а также бочкообразные ролики подшипников и другие детали с заданным внешним и внутренним профилем. Поперечно-винтовой прокаткой получают гильзы, сортовой прокат, круглые сплошные и полые переменного по длине сечения профили, в том числе периодический прокат, заготовки деталей в виде сплошных и полых тел вращения (специальный прокат). Гильза - тонкостенная относительно небольшой длины труба, служит заготовкой для раскатки труб заданных размеров продольной и поперечно- винтовой прокаткой. Параметры прокатки (соотношение диаметров валков и заготовки, угол между осями валков и заготовки и наклона конической части валка) подбираются так, чтобы из-за неравномерности деформации в центральной части заготовки создались растягивающие радиальные напряжения. Под действием этих напряжений металл в центральной зоне заготовки разрыхляется и образуется полость. Чтобы предупредить образование трещин на поверхности полости и получить заготовку трубы заданных размеров, устанавливают оправку. Оправку устанавливают с опережением момента самопроизвольного образования полости. Оправку укрепляют на стержне, конец которого закреплен во вращающейся опоре. После окончания прокатки гильзу снимают со стержня и направляют на трубопрокатные станы. Прокат переменного по длине сечения, в том числе периодический прокат, поперечное сечение которого периодически изменяется, используют в виде фасонной заготовки при горячей штамповке, что позволяет применить более простые штампы, увеличить производительность при штамповке, снизить отходы и улучшить качество продукции. Периодический прокат применяют также в виде заготовок для обработки резанием, что позволяет значительно повысить производительность, сократить расход металла и объем доделочных операций. Периодической прокаткой получают заготовки полуосей автомобиля, шатунов автомобильного двигателя, осей вагонов и тепловозов, лопаток турбин и др. 277 Поперечно-винтовой прокаткой получают заготовки шаров диаметром 18…125 мм для подшипников качения, шаровых мельниц и др. назначения, колец и роликов подшипников качения, втулок заднего колеса велосипеда, ватерных колец для текстильной промышленности и кольцевых деталей, червячных колес, винтов и сверл, теплообменников грузовых автомобилей и других профилированных труб, а также бандажи колес и колеса локомотивов и др. Поперечно-клиновой прокаткой получают заготовки ступенчатых валов, крупных шаровых пальцев и других деталей переменного по длине сечения. Поперечно-клиновая прокатка значительно более производительна, чем поперечно-винтовая, дает большую точность размеров за счет наличия калибрующей части ручья, в которой расстояние между поверхностями заготовки и валков не изменяется. За последние годы получила распространение холодная поперечно-клиновая прокатка относительно небольших деталей для получения поперечных канавок и других элементов, которые не могут быть получены холодной объемной штамповкой и накаткой по известным схемам. Гнутые профили сложной формы получают путем холодной гибки листа и ленты. Применение гнутых профилей позволяет экономить до 35 % металла, по сравнению с горячекатаными профилями. Гнутые профили применяют в автомобильной (ветровые рамки, радиаторные трубки) и авиационной промышленностях, строительстве (профили для оконных и фонарных переплетов, поручни лестниц и др.) и т.п. Гнутые профили значительно дешевле прессованных, но уступают им по прочности, сложности сечения и точности размеров. Гнутые профили могут быть изготовлены только из пластичных металлов (алюминия, низкоуглеродистых сталей и т.п.). Инструментом для прокатки являются валки. Прокатные валки ( рис. 13.5) состоят из рабочей части или бочки 1, опорных частей или шеек 2 и соединительной части 3. Прокатка листов и лент производится на валках с гладкой бочкой, имеющей цилиндрическую, слегка выпуклую или вогнутую 278 поверхность ( 13.5, а). Сортовую прокатку производят в калиброванных валках, на бочке которых вытачивают вырезы 4 ( 13.5, б). Вырез, сделанный на одном валке, называют ручьем. Вырезы двух валков и зазор между ними образуют калибр. Границу калибра, т.е. переход от калибра с одного валка на другой, называют разделом калибра. Если раздел калибра осуществляется по линии, параллельной осям валков (по калибру), то такой калибр называют открытым ( 13.5, б). Калибр, у которого раздел находится вне предела калибра, называют закрытым ( 13.5, в). Разработку системы последовательных калибров, обеспечивающих получение заданного профиля и размеров проката, называют калибровкой. Калибры делятся на обжимные (уменьшающие сечение заготовки), черновые (приближающие сечение заготовки к заданному профилю) и чистовые или отделочные, дающие заданные размеры и профили. Рис. 13.5. Прокатные валки: а - с гладкой бочкой; б - ручьевые с открытым калибром; в - ручьевые с закрытым калибром; 1 - рабочая часть (бочка); 2 - опорная часть (шейка); 3 - соединительная часть; 4 - ручей верхнего валка; 5 - ручей нижнего валка; 6 – калибр. Валки изготавливают из чугуна, литой и кованой углеродистой и легированной стали и твердых сплавов. Число валков, диаметр и длина бочки рабочего валка являются основными параметрами прокатного стана. Прокатка производится на прокатных станах. Главная линия прокатного стана ( рис. 13.6) состоит из рабочей клети, соединительных шпинделей, 279 шестеренной клети, муфт, редуктора, маховика, двигателя. На мощных прокатных станах (блюминги, слябинги и др.) каждый приводной валок получает вращение от самостоятельного двигателя постоянного тока специальной конструкции. Рабочая клеть предназначена для деформирования металла. Она состоит из двух станин, в которых располагаются валки, подшипники для валков и механизмы для установки положения валков. Рис. 13.6. Главная линия прокатного стана: 1- рабочая клеть; 2 - соединительные шпиндели; 3 – шестеренная клеть; 4, 7 – муфты; 5 – редуктор; 6 – маховик; 8 – двигатель; P – усилие прокатки. Прессование Прессование - выдавливание металла из замкнутой полости через отверстие в инструменте. Применяют ряд методов прессования. Основные методы: прямой и обратный. При прямом прессовании ( 13.7, а) металл заготовки 3 выдавливается пуансоном 2 и пресс-шайбой 5 через отверстие матрицы 4. При получении полого профиля прямым прессованием ( 13.7, б) металл выдавливается через зазор, образованный отверстием в матрице и иглой 6. При обратном прессовании усилие пресса передается через пуансон ( 13.7, в) на матрицу. Матрица перемещается относительно стенок контейнера. Металл 280 заготовки выдавливается через отверстие матрицы, образуя изделие 7. Аналогично осуществляется обратное прессование полого профиля. Рис. 13.7. Схемы прессования: а - прямое прессование сплошного профиля; б - прямое прессование полого профиля; в - обратное прессование сплошного профиля; 1 - контейнер; 2 - пуансон; 3 - заготовка; 4 - матрица; 5 - пресс- шайба; 6- игла; 7 - прессованное изделие; P – усилие прессования. При прямом прессовании направление движения пуансона и выдавливаемого металла совпадают. Отличительной особенностью прямого метода прессования является перемещение металла заготовки относительно стенок контейнера 1. Благодаря трению о стенки контейнера центральные слои металла опережают внешние. Это явление еще больше усиливается при охлаждении внешних слоев стенками контейнера. На некотором этапе прессования по центру со стороны пуансона (пресс-шайбы) образуется воронка, через которую в центральную часть изделия втягиваются поверхностные загрязненные окислами и смазкой слои, образуя так называемую пресс-утяжину. Наличие пресс-утяжины в изделии недопустимо. Поэтому прессование на этой стадии прекращают, годное изделие отделяют, а оставшийся в контейнере металл (пресс-остаток) направляется в переплавку. При обратном прессовании направление движения выдавливаемого металла и пуансона противоположны. Относительное перемещение металла заготовки и стенок контейнера, следовательно, контактное трение между 281 металлом и стенками контейнера практически отсутствует. При обратном прессовании течение металла более равномерно, чем при прямом, из-за сокращения потерь на трение усилие меньше прессования уменьшается на 25…30%, уменьшается величина пресс-остатка, но конструктивное оформление рабочего инструмента (матрицы, пуансона) при обратном прессовании сложнее, чем при прямом. Прессованием получают прутки диаметром 3…250 мм, проволоку диаметром 1…6 мм, трубы диаметром 20...600 мм с толщиной стенки 1,0…1,5 мм и более, сплошные и полые профили. Прессованию подвергают цинк, олово, свинец, алюминий и алюминиевые сплавы, магний и магниевые сплавы, медь и медные сплавы, никель и никелевые сплавы, углеродистые и легированные стали, титан и титановые сплавы. При прессовании наибольшее распространение получили специализированные гидравлические горизонтальные и вертикальные прессы. Вертикальные прессы с номинальным усилием до 30 МН применяют, главным образом, при производстве труб, горизонтальные прессы изготавливают с номинальным усилием до 100 МН. К прессовым инструментам относятся: игла, матрица, контейнер, пресс- шайба (в порядке повышения температуры при эксплуатации). Температура заготовки на поверхности контакта с инструментом при прессовании легких сплавов достигает 500 С, меди и медных сплавов - 900 С, сталей, никеля и титана - 1250 С. Напряжения достигают 150 МПа. Для изготовления инструмента применяют жаропрочные штамповые стали типа 3Х2В8, 4ХВС, 5ХВС и др. Для увеличения стойкости матриц иногда применяют вставки из твердых сплавов. Большое влияние на силу прессования и стойкость матриц оказывает профиль рабочей части матрицы. Обычно применяют конические матрицы с оптимальным для данных условий углом наклона. Прессование, как правило, производится в условиях горячей деформации. Исходной заготовкой обычно служит слиток цилиндрической формы или многогранник, полученный непрерывным литьем, реже применяется катаная 282 заготовка. Обычно отношение длины к диаметру слитка равно 1,5…2 для полых профилей и 2…3 для сплошных. Оптимальная температура нагрева выбирается в зависимости от пластичности и сопротивления деформации металла, окисления поверхности, схватывания (сварки) металла с инструментом и т.д. Для выравнивания скоростей течения металла применяют подогрев контейнера, матрицы и пресс-шайбы до 200…300 С и иглы до 350…400 С. Перед прессованием рабочие части инструмента покрываются технологической смазкой. Применяют также плакирование (покрытие) заготовок пластичными металлами. Преимущества прессования перед другими видами обработки заключаются в следующем: Возможность получения сплошных и полых профилей сложного сечения, которые не могут быть получены другими методами, применяемыми в технике, в том числе прокаткой. Переналадка пресса на новый профиль производится значительно быстрее, чем при прокатке, точность размеров профиля при прессовании выше, шероховатость поверхности меньше. Возможность получения тонкостенных бесшовных труб большого диаметра с малой разностенностью. Возможность обработки давлением металлов и сплавов с пониженной пластичностью (высокопрочные алюминиевые сплавы, бронзы, жаропрочные стали и сплавы и др.). Пластичность при прессовании увеличивается, т.к. металл находится в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Возможность высоких степеней деформации (92 % по сечению и более), что обеспечивает высокие механические свойства, в том числе вибропрочность и сопротивление усталости. Недостатки прессования: Значительный износ инструмента, матриц и особенно игл, из-за больших контактных напряжений и температур, особенно при прессовании никелевых сплавов, сталей и жаропрочных сталей и сплавов. Высокая стоимость инструмента. Неравномерность механических свойств по длине прессованного изделия из-за неравномерности течения металла. Большие технологические отходы, особенно при прессовании труб 283 большого диаметра. Отходы состоят из малодеформированного переднего конца профиля и пресс-остатка, который достигает при прямом методе 12…15 %, при обратном – 5…6 % от массы заготовки. Волочение Волочение - процесс протягивания обрабатываемой заготовки через постепенно суживающееся отверстие инструмента (волоки). При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, приобретая постоянное сечение по всей длине. Напряжение в вытягиваемом конце обрабатываемого металла во избежание обрыва не должно превышать его предела текучести. Таким образом, для устойчивости процесса волочения необходим определенный запас прочности в сечении после волочения. Приложение растягивающего усилия уменьшает пластичность и ограничивает величину деформации за одну протяжку и от отжига до отжига в целом. Рис. 13.8. Схемы волочения: а – волочение проволоки, прутка, сплошного профиля; б – волочение трубы на оправке; 1- заготовка; 2 – волока; 3 – оправка; 4 – обойма (бандаж); P – усилие волочения. Волочением получают: проволоку ( 13.8, а) диаметром от 6 до 0,008 мм; прутки; сплошные и полые профили; трубы ( 13.8, б) с наружным диаметром 1…360 мм и менее и толщиной стенки 10...0,1 мм и менее, имеющие точные по размерам сечения и низкую шероховатость поверхности. Заготовку для волочения получают прокаткой или прессованием; заготовка должна иметь форму сечения, подобную форме сечения готового изделия. Исходными материалами для волочения проволоки являются: проволока - катанка и прессованная проволока диаметром 5…9 мм, для волочения 284 прутков и профилей - сортовой прокат и прессованные профили диаметром 5…150 мм, для волочения труб - трубы сварные диаметром 6…200 мм, бесшовные катаные диаметром 40…200 мм и менее и прессованные диаметром 20…400 мм и менее. При производстве проволоки и прутков из труднодеформируемых и тугоплавких металлов и сплавов (вольфрам, молибден и др.) заготовки получают ковкой в горячем состоянии на ротационно-ковочных машинах и ковочных автоматах. Волочение производят, как правило, в условиях холодной деформации. Волочение проволоки из вольфрама, молибдена, нихрома и цинка производят в горячем состоянии. Из-за возможности обрыва (разрушения) под действием растягивающего усилия деформация при волочении относительно невелика. Отношение сечений до и после волочения в среднем составляет 1,25...1,3, а при прессовании достигает 100 и более. В связи с этим особое внимание уделяется повышению пластичности исходной заготовки и снижению усилия волочения. Это достигается применением термообработки (отжига) для снятия упрочнения, высоким качеством поверхности заготовки, применением высокоэффективных смазочных материалов, оптимальным профилем и малой шероховатостью поверхности рабочих участков инструмента. Волочение в ряде случаев применяется для калибровки сортового проката. Для этого производят одну или несколько протяжек, что повышает точность размеров сечения и улучшает качество поверхности. |