Обработка металлов давлением история

Обновлено: 18.05.2024

В учебном пособии изложены краткие основы теории и технология основных видов ОМД. Рассмотрен сортамент продукции, изготовляемой с использованием процессов ОМД, дано описание основного и вспомогательного оборудования. При написании пособия использованы последние достижения в области ОМД.

Учебное пособие предназначено для студентов ДонНТУ, обучающихся по специальностям 6.090401, 6.090412, 6.070801.

Стр.

Введение…………………………………………………………………

1. Основные виды ОМТ………………………………………………

1.1 Прокатка……………………………………………………………….

1.2 Волочение………………………………………………………………

1.3 Прессование……………………………………………………………..

1.4 Ковка…………………………………………………………………….

1.5 Штамповка………………………………………………………………

1.6 Гибка…………………………………………………………………….

2. Краткий обзор развития ОМД и металлургии в Украине………………………………………………………………..

3. Продольная прокатка……………………………………………

3.1 Некоторые общие положения теории прокатки…………………….

3.2 Основные понятия и определения продольной прокатки……………

3.3 Условия захвата металла валками……………………………………..

4. Кинематические условия продольной прокатки……

4.1 Опережение и отставание…………………………………………….

4.2 Уширение при продольной прокатке………………………………….

5. Силовые условия прокатки………………………………….

5.1 Сила и давление прокатки……………………………………………..

5.2 Момент и мощность прокатки…………………………………………

6. Сортамент и стандартизация прокатной продукции…………………………………………………………….

6.1 Сортовая сталь………………………………………………………….

6.2 Листовая сталь………………………………………………………….

6.3 Трубы……………………………………………………………………

6.4 Прочие виды проката…………………………………………………..

7. Оборудование прокатных станов………………………….

7.1 Типы прокатных станов………………………………………………..

7.2 основание и вспомогательное оборудование прокатных станов……

8. основы калибровки прокатных валков…………………

8.1 Элементы калибровки………………………………………………….

8.2 Классификация калибров………………………………………………

8.3 Системы вытяжных калибров…………………………………………

8.4 Схемы калибровки простых профилей (квадратных и круглых)……

8.5 Особенности калибровки фланцевых профилей……………………..

9. Технология прокатного производства…………………..

9.1 Технология производства полупродукта…………………………….

9.2 Технология производства проката на рельсобалочных станах…….

9.3 Прокатка крупно-, средне-, мелкосортного проката и катанки……..

9.4 Технология производства листов…………………………………….

9.4.1 Производство горячекатаных листов и полос………………….

9.4.2 Производство холоднокатаной листовой стали………………..

10. технико-экономические показатели прокатного производства (ТЭП)……………………………

11. Дефекты проката…………………………………………………

12. Производство гнутых профилей………………………….

13. Волочение металла……………………………………………..

14. Производство труб……………………………………………….

15. Прессование металла………………………………………….

16. Ковочно-штамповочное производство……………….

Список рекомендованной литературы……………………..

В металлургическом производстве процесс обработки металлов давлением (ОМД) является заключительным, т.н. третьим переделом – вслед за первым (доменным) и вторым (сталеплавильным) переделами. Одним из основных он является в машиностроении и металлообработке.

ОМД – способ получения изделий заданной формы и размеров в твердом состоянии без снятия стружки с помощью давящего инструмента. В этом определении заложено отличие способа ОМД от способов получения изделий путем литья (в жидком состоянии) и механообработки (со снятием стружки).

ОМД – один из наиболее интересных курсов металлургического профиля. Она является предметом не только научной и инженерно-технической деятельности, но и своего рода искусством. Достаточно вспомнить рыцарские доспехи, особенно парадные, инкрустированные благородными металлами, садово-парковые ограждения, каминные решетки, светильники и т.п., не говоря уже о такой донецкой достопримечательности, как пальма Мерцалова. Т.е. изделия, получаемые способами ОМД, не только имеют потребительскую ценность в широком понимании этого определения, включая бытовую, но и могут оказывать глубокое эмоциональное воздействие.

Этим ОМД выгодно отличается от других переделов - доменного и сталеплавильного. Металлургия чугуна интереснейший предмет. Достижения доменщиков поистине феноменальны. Они глубоко изучили сложнейшие физико-химические процессы, происходящие в закрытом объеме, недоступном для визуального наблюдения, научились управлять ими и получать чугун заданного химического состава. Но результатом их деятельности является ковш жидкого чугуна. С точки зрения потребительской и эмоциональной он явно уступает изделиям, полученным путем ОМД. То же относится и к сталеплавильному производству.

Не лишним будет напомнить и то, что процессы ОМД в металлургии являются завершающими. И от того, насколько полно удовлетворяют потребности народного хозяйства продукция ОМД, судят о работе металлургии в целом.

А в масштабах завода, от того, насколько плодотворно поработали прокатчики зависит благополучие всего коллектива. Ибо как бы хорошо ни сработали доменщики и сталеплавильщики, если не будет необходимой реализации продукции, не будет средств ни для выплаты заработной платы трудящимся, ни для закупки необходимых сырья, материалов и т.п., т.е. не будет условий для нормальной работы завода.

Практически все средства труда, военного назначения, транспорта, быта, все средства передвижения по земле, воде, в воздушном пространстве изготовлены с использование изделий ОМД.

Отсюда следует, что знание основ ОМД, сортамента производимого металлопроката крайне необходимо не только металлургам, но и инженерно-техническим работникам смежных специальностей.

История ОМД

Тысячи лет назад люди открыли металлургию, создали разнообразные способы обработки металлов и сплавов, воплощая их в жизненно необходимые им орудия труда, оружие, предметы домашнего обихода и высокохудожественные произведения прикладного искусства.

Металлические орудия труда ускорили социальный прогресс человеческого общества. Именно в эпоху раннего металла возникают древневосточные государства, ускорившие процесс распространения металлургии. Металл становится важнейшим фактором технического и культурного развития древних цивилизаций. Появившиеся вначале медные и бронзовые орудия труда, с которых собственно и начался процесс замены каменных орудий труда металлическими, однако еще не могли оказать большого влияния на хозяйственную сторону жизни первобытного общества.

Содержание

ЗАРОЖДЕНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНИКИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (с древнейших времен до XV в.) 5

СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 5

ТЕХНИКА ВОЛОЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 8

РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В ПЕРИОД МАНУФАКТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА (XVII.-конец XVIII в.) 13

КАЧЕСТВЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛУРГИИ И МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ 13

ТЕХНИКА ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА 15

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ ВОЛОЧИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ВОДОДЕЙСТВУЮЩЕГО ПРИВОДА 18

ТЕХНИКА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ МАШИННО-ФАБРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА (конец XVIII - 70-е годы XIX вв.) 23

ТЕХНИКА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА ПРОИЗВОДСТВА К НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОЦЕССАМ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ СИСТЕМАМ (70-е годы XIX — вторая половина XX в.) 27

Работа содержит 1 файл

реферат история омд.docx

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

«История развития техники в области обработки металлов »

по курсу «Современные проблемы науки и производства»

доцент кафедры ОМД

Автор
студент группы ФМ-109
Е.В. Храмков
___________________2011 г.

ЗАРОЖДЕНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНИКИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (с древнейших времен до XV в.) 5

СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 5

ТЕХНИКА ВОЛОЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ 8

РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В ПЕРИОД МАНУФАКТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА (XVII.-конец XVIII в.) 13

КАЧЕСТВЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛУРГИИ И МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ 13

ТЕХНИКА ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА 15

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ ВОЛОЧИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ВОДОДЕЙСТВУЮЩЕГО ПРИВОДА 18

Введение

История становления и развития металлургии неразрывно связана со способами и процессами обработки металлов давлением, зарождение которых относится к появлению первых металлических изделий на земле. Наиболее ранним и важнейшим способом была ковка, появление которой совпало с периодом перехода человечества от каменного века к бронзовому веку. Ковка была первым процессом, которым люди начали пользоваться для обработки самородной меди до того, как была освоена выплавка ее из руды. К числу древнейших способов обработки металлов давлением относятся также штамповка и волочение металлов, получивших широкое распространение еще в период рабовладельческого способа производства.

Эти первые способы обработки металлов давлением непрерывно совершенствовались. На их основе создавались ковочные молоты, чеканочные и штамповочные машины, волочильные станы, все более широко распространявшиеся в различных областях материального производства. С накоплением технических знаний и производственного опыта, изобретательная мысль неустанно работала над созданием новых способов и процессов обработки металлов давлением. В результате, в период мануфактуры появился высокоэффективный процесс прокатки металлов, ставший в условиях машинно-фабричного производства одним из основных в металлургической и металлообрабатывающей технологии.

Необходимо подчеркнуть, что все названные выше способы обработки металлов давлением, в том числе древнейшие из них не потеряли своего практического значения до сих пор. Более того, по мере развития науки и техники они непрерывно совершенствуются и воплощаются в новейших технических средствах, мощных машинах и оборудовании, оснащенных, как правило, системами комплексной механизации и автоматизации, находящихся на вооружении в металлургической и машиностроительной промышленности.

Обработка металлов давлением — комплекс технологических процессов, основанных на пластических свойствах металлов и их сплавов, под которыми понимается способность твердого тела необратимо изменять свою форму и размеры без разрушения.

Значение обработки металлов давлением в современной технике и промышленности видно на примере прокатного производства, перерабатывающего в различные виды полуфабрикатов и изделий более 4/5 всей производимой в развитых странах стали. Напомним, что мировое производство стали составило в 1988 году около 720 млн. т. По мере наращивания мощностей, дальнейшего развития техники прокатного производства доля катаной стали будет непрерывно возрастать. Прокаткой изготовляется широкая номенклатура изделий — горячекатаный и холоднокатаный лист, сортовой прокат, катаные трубы, толстые сорта проволоки, разнообразные детали для машин и механизмов — колеса, шары, кольца, профили переменного сечения. Стальной лист широко применяется в автомобилестроении, вагоностроении, аппаратостроении, кораблестроении, станкостроении, строительной индустрии.

ЗАРОЖДЕНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНИКИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (с древнейших времен до XV в.)

СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ковка — древнейший способ обработки металлов давлением. Его появление совпадает с периодом перехода человечества от каменного века к бронзовому. Самородная медь была первым металлом, который вошел в обиход древних народов именно благодаря применению ковки. Освоение способа обработки самородного металла ковкой, неразрывно связано с длительным накоплением человеком навыков и опыта, связанных с изготовлением каменных орудий труда и оружия путем обработки камня "обивкой" каменным же молотом. Самородная медь, которую первобытные люди вначале тоже считали разновидностью камня, при ударах каменного молота не давала характерных для камня (кремень) сколов, а изменяла свою форму и размеры без нарушения сплошности материала. Это замечательное технологическое свойство "нового камня" явилось мощнейшим стимулом добычи самородного металла и использования его человеком. Кроме того, было замечено, что ковка повышает твердость и прочность металла и играет важнейшую роль в создании более эффективных орудий труда и оружия. Ковка была первым и единственным в первое время способом повышения твердости меди.

Современная историческая наука связывает зарождение техники ковки металлов с развитием ранних очагов металлургии в древнейших районах Средней Азии и Ближнего Востока. Такими районами были Анатолия, междуречье Тигра и Евфрата и долина Нила. Время появления и применения некоторых видов и приемов холодной, а затем и горячей ковки относят к VII—VI тыс. до н.э.

В качестве молота вначале применяли обычные куски твердого камня. Первобытный умелец, зажимая камень в руке, наносил им удары по куску самородного или выплавленного из руды металла. Такая примитивная техника ковки сначала существовала, вероятно, у всех древних народов. Затем эволюция этого простейшего способа ковки привела к созданию прообраза современного молота, снабженного рукояткой или молотовищем. Но время появления молота с рукояткой определить пока невозможно. Необходимо лишь отметить, что оба способа сосуществовали в течение Длительного времени, о чем свидетельствуют дошедшие до нас древние настенные росписи и рисунки на саркофагах.

Еще и сегодня приходится удивляться искусству древних египетских кузнецов, в совершенстве владевших техникой получения тонкого листового золота и фольги, толщиной от 0,09 до 0,1 мм и даже более тонких . размеров. Здесь налицо умение кузнецов подбирать для изготовления молотов и наковален твердые и высокопрочные породы каменных материалов, придавать рабочим инструментам определенную форму, ровную и хорошо отполированную поверхность [7]. Примитивная техника ковки металла с помощью каменного молота без ; рукоятки сохранилась до последнего времени у некоторых африканских племен. Зарисовка (рисунок 2) показывает каменную наковальню, на которой производится ковка нагретого железа. В правой руке у кузнеца каменный молот, другой рукой он поддерживает на наковальне железную заготовку. Кузнец работает с подмастерьем, осуществляющим с помощью примитивных воздуходувных мехов подачу воздуха в костер [28, с. 115].

Рисунок 2. - Простейший способ горячей ковки железа

Здесь мы не видим обычных для кузнечного ремесла более позднего времени приспособлений и инструментов — массивной, определенной конфигурации железной наковальни, собственно молота с рукояткой, шарнирных клещей. Их эволюция была длительной и неразрывно связанной с развитием металлургии. Появление молота с рукояткой на первых лорах преследовало цель защитить руку кузнеца от повреждения. Затем было замечено, что эти молоты, обеспечивают получение более сильных. Ударов за счет увеличения на величину длины рукоятки, плеча действия бойка молота (до этого плечо соответствовало длине вытянутой руки). Масса ручных молотов, ограничивалась силой мускулов человека и обычно не превышала 10 кг. Для этих, наиболее тяжелых ручных молотов молотовища изготовлялись длиной до 500—600 мм [28]. Каменные молоты применялись преимущественно для обработки мягких, пластичных металлов — меди, золота, серебра и их сплавов.

Техника ручной ковки удовлетворяла производство до тех пор, пока требовались небольшие по размеру и массе кованые изделия. Под влиянием развития судостроения, военной, строительной и некоторых других отраслей техники, вызвавших потребность на крупные железные якоря, цепи, полосовое и листовое железо, металлообрабатывающие, в том числе кузнечные, производства оснащаются разнообразными механическими устройствами, позволяющими обрабатывать тяжелые заготовки сварочного железа. В XIII-XIV вв. появляются механические молоты, приводимые в действие энергией падающей воды [33, с. 103]. Древнегреческий ученый Герон Александрийский (I в.н.э.), изложивший в своих трудах основные достижения античной механики, описал устройство, при помощи которого двигается рука человека, изображающего бога кузнечного искусства Гефеста. Однако в условиях рабовладельческого способа производства, ни это, ни многие другие механизмы для обработки металла, не нашли практического применения.

С появлением вододействующих механических молотов были созданы предпосылки для дальнейшего развития металлургического и металлообрабатывающего производств. Механические молоты дали возможность обрабатывать крупные крицы железа, изготовлять разнообразные полуфабрикаты и изделия больших габаритов и массы, что в свою очередь, способствовало дальнейшему увеличению размеров металлургических печей — кричных горнов и медеплавильных печей. С созданием вододействующих молотов производительность при ковке кричного железа возросла в 3—4 раза. Так, на ручную ковку крицы массой 30—35 кг и выделку из нее листового железа затрачивалось 12—15 ч. В результате использования вододействующих молотов время на обработку того же количества металла сократилось до 4—6 ч [34, с. 48].

По имеющимся данным, в XIV в. в графстве Марк (Швеция) в железоделательных производствах применялись хвостовые молоты, с помощью которых отковывался полосовой металл. Молот делал около 120 ударов в минуту и обладал массой около 80 кг [34, с. 48]. С этого времени в западноевропейской металлургии распространяется гидравлический двигатель, ставший важным фактором качественного преобразования технологии ковки металлов [35]. Однако широкое распространение вододействующие молоты получили с XV—XVI вв. в период становления и развития мануфактурного производства.

ТЕХНИКА ВОЛОЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Формирование и развитие техники волочения металлов происходило под влиянием все возраставшего потребления проволоки и проволочных изделий, широко применявшихся в выделке разнообразных ювелирных изделий и предметов быта. Производство ювелирных изделий, шитых золотом одежд получило широкий размах особенно в рабовладельческий период. Ювелирные ремесла потребляли огромное количество благородных металлов и их сплавов. Золотая и серебряная проволока применялась также в качестве эквивалента стоимости в торговле. Спрос на проволоку способствовал совершенствованию техники волочильного производства.

В результате промышленной революции конца XVIII - начала XIX вв. начался процесс перехода от мануфактуры к капиталистическому машинно-фабричному производству, характеризующемуся распространением в производстве рабочих машин и универсального парового двигателя. Началось техническое перевооружение машиностроения, позволившее производить машины машинами. Машиностроение, оснащенное разнообразными рабочими машинами и опирающееся на паровую энергетику, дало возможность создавать самое разнообразное оборудование для всех отраслей промышленности [1].

Прогресс в металлургии способствовал развитию производств, основанных на использовании процессов обработки металлов давлением — ковки, штамповки, прессования, прокатки, волочения и чеканки. Для машиностроения требовались полуфабрикаты и изделия, изготовление которых было возможно лишь с применением ковочных молотов, прессов, прокатных станов и другого оборудования для обработки металлов давлением.

Столь впечатляющие достижения машиностроения основывались также на качественных изменениях в энергетике, на огромных возможностях, которые открыл универсальный паровой двигатель для создания мощных машин для обработки металлов, организации крупных металлургических и металлообрабатывающих предприятий.

К выдающимся достижениям в области обработки металлов давлением относится создание в рассматриваемый период мощного кузнечно-прессового оборудования. Необходимо в первую очередь отметить паровой молот, построенный в 1842 г. английским машиностроителем и изобретателем Дж. Несмитом. Паровой молот дал возможность производить крупные поковки для различных машин и аппаратов, которые ранее изготовить с помощью даже самых крупных вододействующих молотов было нельзя.

Ко второй половине XIX в. относится распространение на машиностроительных заводах нового вида оборудования для обработки металлов — гидравлических ковочных прессов, значительно расширивших возможности металлургической технологии. В 1851 г. на Лондонской всемирной выставке экспонировался 4-цилиндровый пресс усилием 2500 т, предназначенный для штамповки небольших деталей. В 1859-1861 гг. Дж. Газвелл построил и установил в железнодорожных мастерских Вены свой первый пресс для штамповки паровозных деталей: поршней, крейцкопф, рессор, хомутов, кривошипов и др. Один из этих гидравлических прессов экспонировался в 1862 г. на Всемирной выставке в Лондоне [9].

Важное преимущество гидравлических прессов перед мощными паровыми молотами — отсутствие сильных ударов, сотрясающих почву и окрестности цехов и заводов. Прессы, свободные от этих недостатков, в ряде случаев постепенно вытеснили из производства паровые молоты, особенно большой мощности. Начиная с 60-г годов XIX в. появляются крупные гидравлические прессы для ковки стали, способные обрабатывать многотонные слитки для изготовления стволов орудий. К концу XVIII - началу XIX в. под влиянием общего развития машиностроения, паровой энергетики и металлургии создавались благоприятные условия для прогресса прокатного производства. В это время прокатка металлов утвердилась как самостоятельный процесс металлургического производства. Выделялись несколько основных групп прокатных станов, отличающиеся их функциональным назначением в производстве: обжимные, листовые и сортовые.

Прокатное производство становится крупнейшим производителем различных полуфабрикатов и изделий для машиностроения, кораблестроения и железнодорожного транспорта. Прокатные заводы поставляют для обшивки военных судов броневые плиты. Наиболее крупные из них имели толщину 500 мм, длину 8 м и ширину 3 м. С развитием прокатного производства неразрывно связан прогресс в области железнодорожного транспорта. Производство рельсов занимало большой удельный вес в системе металлургических предприятий большинства промышленно развитых стран Европы и США.

Производство катаных железных рельсов начинается с 20-х годов XIX в. с появлением паровоза. С началом железнодорожного строительства повысились требования к качеству рельсов. В 1820 г. рельсы выпускались из сварочного железа длиной 4,57 — 5,48 м. Систематическая прокатка рельсов из сварочного железа началась лишь после создания специальных прокатных станов с профильными валками. Для этой цели вначале применяли двухвалковые станы. Первый рельс из литой бессемеровской стали был прокатан в 1857 г. в Далласе (США).

Под влиянием промышленного подъема создались благоприятные условия для развития техники волочильного производства. Многократно возрастает потребность в проволоке и проволочных изделиях, волоченых прутках, полосах, профилях и трубках из железа, стали и цветных металлов. Проволока широко используется в текстильной промышленности, предъявившей большой спрос на чесальные кадры. Другими важными потребителями проволоки стала горная и строительная техника, где в течение первой половины XIX в. нашли широкое применение проволочные канаты и троссы. Первые проволочные канаты предназначались для шахтных подъемных машин. Проволочные канаты стали незаменимы при строительстве висячих мостов, в морском деле, на заводах, для передачи механической энергии на расстояние (канатные передачи). Стальная проволока также широко употреблялась для изготовления иголок, булавок, пружин, железная — для выделки гвоздей, винтов, болтов, цепей, колючей проволоки и многих других изделий.

Крупнейшим потребителем железной проволоки во второй половине XIX в. стал электрический телеграф. Большой спрос на телеграфную проволоку стимулировал развитие технологии ее производства. Важное значение имела разработка способов получения длинномерной проволоки. Эту задачу успешно разрешил в 60-х годах один из английских заводов.

Бурное развитие в первых десятилетиях XIX в. паровой энергетики наложило свой отпечаток на структуру и динамику развития волочильного производства. К традиционным видам продукции прибавились новые, непосредственно связанные с развитием паровой техники. К их числу относятся дымогарные, конденсаторные и другие трубы, получившие широкое практическое применение уже в первой половине XIX в. Вначале - использовались паяные медные и латунные трубы, изготовлявшиеся из листового металла. Такие трубы не выдерживали больших давлений пара, сдерживая дальнейшее развитие паровой энергетики. Лишь после разрабо-ки в 30-х годах XIX в. новой технологии получения цельнометаллических труб методом волочения, была решена одна из важных проблем, связанных с дальнейшим усовершенствованием конструкций паровых машин и повышением их надежности и эффективности [20].

Общий промышленный подъем, характерный для развивающегося машинно-фабричного производства оказал влияние на качественное обновение техники чеканки металлов и связанных с ней основных технологических процессов. Монетно-чеканочное производство по ряду научно-технических разработок и применению новых машин и процессов обработки металлов находилось в числе наиболее передовых в техническом отношении отраслей металлообрабатывающей промышленности [1].

ТЕХНИКА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА ПРОИЗВОДСТВА К НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОЦЕССАМ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ СИСТЕМАМ (70-е годы XIX — вторая половина XX в.)

Развитие металлургии и обработки давлением в рассматриваемый период характеризовалось все более усиливающимся воздействием на производство достижений науки. Фундаментальное значение имели выдающиеся работы металлурга Д.К. Чернова, заложившего основы современного металловедения и термической обработки стали [9].

По мере развития металлургии и машиностроения непрерывно возрастало и возрастает значение в производстве процессов обработки металлов давлением. Большая часть выплавляемых металлов и сплавов используется в технике в деформированном состоянии. Так, в черной металлургии уже в 70—80-х годах XIX в. около 50—60% производимой стали перерабатывалось на прокатных заводах в листы, профили, трубы, полосы и другие полуфабрикаты и изделия. В настоящее время доля катаной стали в развитых странах мира уже достигает 80—87%. Предполагают, что в последующие годы это соотношение будет возрастать [4].

С ростом серийного и массового производства в машиностроении и других отраслях возросла роль кузнечно-штамповочного производства. Напомним, что процессы обработки давлением широко применяются для изготовления особо ответственных деталей машин и механизмов. Так, в конструкциях самолетов около 90% деталей кованые, штампованные и прессованные. Современное автомобилестроение потребляет до 85—90% штампованных полуфабрикатов и изделий. В тепловозах доля кованых и листовых штампованных деталей составляет более 60%. В авиационной промышленности 40% титановых сплавов используются в различных областях новой техники и промышленности в виде поковок и штамповок [5].

Широкое развитие техники обработки металлов давлением — следствие высокой ее производительности и экономичности в расходовании металла на единицу готовой продукции. По мере создания крупных технических сооружений и машин происходит качественное обновление оборудования для обработки металлов давлением, повышаются его мощности, производительность, создаются автоматизированные и комплексно-механизированные производства, оснащенные электронно-вычислительными системами управления производственными процессами.

Научно-технический прогресс в области обработки металлов давлением неразрывно связан с фундаментальными исследованиями в области теории пластической деформации, у истоков которой стояли многие зарубежные и отечественные ученые и специалисты. Кроме Д.К. Чернова, открывшего впервые в 60-х годах XIX в. линии скольжения в пластически деформируемом металле, аналогичные наблюдения независимо от Д.К.Чернова описал Л. Людерс. В 1867 г. X.Треска показал, что при переходе металла: в пластическое состояние необходимо, чтобы независимо от схемы напряженного состояния максимальное касательное напряжение, равное полуразности двух главных нормальных напряжений, достигло некоторой критической величины. В 1868 г. он сделал первую попытку применить, для исследования напряженно-деформированного состояния уравнение, О. Коши. Основное положение, высказанное X. Треска, подтвердил в 1871 г. Б.Сен-Венан. Он также использовал в исследованиях уравнение О. Коши и показал, что для перехода металла в пластическое состояние необходимо, чтобы максимальное касательное напряжение достигло значения, равного пределу текучести металла на растяжение. Среди зарубежных исследователей, внесших весомый вклад в теорию обработки металлов давлением, необходимо особо отметить Г. Закса, Э. Зибеля, А. Надаи, П. Бриджмена.

Таким образом, уже в конце XIX в. были сформулированы основные положения пластической деформации и создан основной математический аппарат, используемый для решения практических задач в наше время.

Среди отечественных ученых проблемой пластичности и обработкой металлов давлением занимался профессор А.П. Гавриленко. Изданный им в 1897 г. фундаментальный труд "Механическая технология металлов" оказал значительное влияние на развитие теоретических основ пластической деформации металлов.

Заключение

По оценкам ряда историков и специалистов, со времени открытия металлов в мире было произведено около 20 млрд. т железа, стали и цветных металлов, основная масса которых попадала к потребителю, пройдя предварительную обработку давлением.

Техника, процессы обработки металлов давлением в течение многих столетий были органическим звеном металлургических производств, определяя в конечном счете прогресс самой металлургии, возможности широкого использования металлов и сплавов для выделки орудий труда, оружия и предметов бытового назначения. Распространение металлов на этапе их освоения стало возможным именно благодаря открытию первого и важнейшего процесса обработки металлов давлением — ковки, позволившей сообщить металлу повышенную твердость и прочность, т.е. свойства и качества, обеспечивающие эффективную эксплуатацию орудий труда и технических средств в материальном производстве.

Зарождение в недрах феодального общества первых металлургических предприятий мануфактурного типа, способствовало развитию техники обработки металлов, совершенствованию традиционных и появлению новых способов обработки. К их числу относится способ обработки металлов давлением в прокатных валках, появившийся, по имеющимся данным, в XV в. и затем распространившийся на предприятиях черной и цветной металлургии. Изобретение прокатного стана представляло крупнейшее техническое достижение металлургии позднефеодального способа производства. С его появлением резко возросла производительность труда в производстве металлических листов, полос, прутков и проволоки. Прокатный стан внес крупные изменения в технологические схемы производства полуфабрикатов и изделий, которые ранее изготовлялись с помощью ковки и частично волочения.

В концу XVIII - началу XIX вв., т.е. к периоду первой промышленной революции, процессы обработки металлов давлением были широко рас-пространены на металлургических и машиностроительных предприятиях. Именно в этот период ряд процессов обработки металлов давлением вводится в нарождающейся машиностроительной промышленности. Особую роль в машиностроении начинают играть процессы кузнечно-штамповочного производства. Широко применяются и распространяющиеся в первой половине XIX в. паровые молоты, служащие для свободной ковки, обработки металла в штампах.

Наиболее ранний документ, связанный с историей прокатки металлов, относится к 1495 г. и принадлежит Леонардо да Винчи. Ученый оставил изображение ручного прокатного стана с плоскими валками с кратким к нему пояснением (рисунок 3). Согласно рисунку, в прокатном стане Леонардо да Винчи приводным являлся один нижний валок, на оси которого было насажено червячное колесо. Передача движения прокатному валку производилась через червячную пару массивной рукояткой.

Рисунок 3. - Прокатный стан с плоскими валками Леонардо да Винчи

Уже в первой половине XVI в. обозначилась специализация прокатных станов по виду изготовляемой продукции. Наряду со станами, оснащенными гладкими валками, появились станы с калиброванными валками. Соответственно первые станы предназначались для прокатки широких полос и листов, а вторые — для прокатки различных профилей. По мере развития прокатных станов непрерывно расширялись и области их практического применения. Большое значение в распространении прокатных станов в производстве имел перевод их с ручного привода на гидравлический.

В XVI—XVII вв. прокатные станы распространяются на монетных дворах. В первое время преимущественно применялись прокатные станы с ручным приводом. Постепенно происходят сдвиги в сторону механизации техники прокатки. Для привода используется мускульная сила животных и гидравлический двигатель. Во Франции королевским эдиктом от 27 января 1550 г. разрешается применять на монетных дворах прокатные станы, приводимые в действие конной силой. Подобная система привода была применена, в частности, в Париже на монетном дворе в Лувре. К 1561 г. относятся попытки введения вододействующих прокатных станов в Англии. Однако лишь только в первой половине XVII в. этот вопрос получил практическое разрешение в английском монетном производстве.

Гораздо медленнее, с трудом прокладывали себе дорогу прокатные станы в железоделательной промышленности. Некоторые сведения о вододействующей мельнице, в которой были устроены валковорезательный и волочильный станы для производства железной проволоки содержатся в книге Эобануса Гессуса.

Ответственейшей частью плющильного стана являлись рабочие валки. В.И. Геннин отмечал, что прокатные валки надлежит делать из железа, наваривая на них уклад, после чего их надо обтачивать равно и гладко для того: ежели они будут не равной толстоты, то железо от того плющится косо и негодно. А в Германии видно есть, что такие валики льются из чугуна, однако, оные не так надежны, как кованые" [7]. Каждый из станов мог служить и плющильным и прорезным. Достаточно было заменить плоские валки валками дисковыми, как прокатный стан превращался в прорезной. Эта любопытная особенность взаимозаменяемости рабочих органов станов свидетельствует о тщательно продуманной системе конструирования машин и их рациональном применении в производстве. Плющильные и прорезные станы изготовлялись собственными силами.

Имеются сведения о существовании в России в начале 80-х годов XVIII в. листопрокатного производства. В 1782 г. на Чермозском заводе (Урал) был пущен стан для прокатки кровельного железа. В 1791 г. во Франции отец и сын Жамены, а также Понселе из Седана взяли патент на прокатку железа и стали. Примерно в это же время прокатные станы были установлены на заводе Добсона в Вогуэне, а также на заводе Ж.-Ф.Клуэ под Седаном. Существовало прокатное производство в Льеже.

В XVII в. прокатка свинцовых листов уже достигает значительных масштабов. В Англии, например, существовали предприятия, оснащенные крупными прокатными станами для прокатки свинца. Они приводились в действие с помощью гидравлических двигателей или конной силой. Один из таких прокатных станов XVII в. представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. – Прокатный стан для изготовления свинцовых листов

Стан состоит из двух прокатных валков, выполненных из литого железа, диаметром около 300 мм и длиной более 1,5 м, весом 1270 кг. Стан снабжен механизмом для изменения направления вращения валков, состоящим из системы шестерен. Введение реверса валков значительно облегчило работу на стане, так как отпала необходимость поворачивать лошадей для вращения валков в обратном направлении. Кроме того, с введением реверсного механизма уже не требовалось переносить тяжелые свинцовые плиты весом до 1100 кг на противоположную сторону стана для повторной прокатки. Реверс позволил вновь прокатывать эту же полосу, задавая ее в валки с противоположной стороны стана. Для перемещения прокатываемого металла к валкам, на стане были предусмотрены деревянные ролики, представляющие собой прообраз современного рольганга, широко применяемого в прокатном производстве. Отлитая свинцовая заготовка поднималась на ролики специальным поворотным краном. Для обслуживания стана при заводе постоянно держали 6 лошадей, а для его обслуживания требовалось шесть рабочих.

Именно в этот исторический период, характеризующийся общим промышленным развитием стран Западной, Центральной и Восточной Европы, были выдвинуты оригинальные проекты преобразования техники прокатки металлов, намного опередившие время. К ним относится, например, идея процесса непрерывной прокатки. Ее автором был мастер Нижнетагильского завода Е.Г.Кузнецов, предложивший в 1775 г. проект стана для непрерывной прокатки железных полос [48—49]. К 1798 г. относится заявка английского металлурга У.Хезлидайна на устройство непрерывного прокатного стана [50, с. 63]. Однако ни первое, ни второе изобретения не были реализованы на практике. Это стало достоянием металлургов и конструкторов следующего, XIX столетия, воплотивших идею непрерывной прокатки металлов в производстве.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ ВОЛОЧИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ВОДОДЕЙСТВУЮЩЕГО ПРИВОДА

Обработка металлов волочением была одним из трудоемких производств, к механизации которого на основе вододействующего привода обратились средневековые металлурги и создатели новых машин.

Применение гидравлического двигателя для волочения металлов датируется первой половиной XIV в. и связывается с именем Рудольфа (Германия). Изобретение заключалось в передаче энергии воды посредством гидравлического колеса на рычажно-клещевой механизм волочильного устройства через систему массивных кулаков, насаженных на деревянном валу. При вращении вала кулаки нажимали на конец рычага, к которому прикреплялись клещи. За время от начала соприкосновения кулака с рычагом и до схода с рычага этого кулака происходило волочение проволоки, а пока следующий кулак не входил в соприкосновение с рычагом, надо было разжать клещи (вручную), подвести их к волочильной доске и опять захватить ими проволоку [55].

Более подробные сведения о волочении проволоки на рычажно-клещевых вододействующих станах относятся к XVII—XVIII вв. — периоду их массового распространения в проволочном производстве большинства европейских стран — Германии, Франции, Англии, России, Швеции и др.

Большое значение имело изобретение автоматического захвата проволоки при волочении. Рычажно-клещевой вододействующий стан с автоматическим захватом проволоки изобразил в 1698 г. Вейгел (Германия). Захват осуществлялся при помощи пружины, соединенной с рычагом, приводящим в движение волочильные клещи [56]. Этот способ самозахвата проволоки посредством пружины и наклонного стола практиковался на предприятиях Западной Европы и в течение XVIII в. На русских проволочных фабриках применялась почти такая же система самозахвата проволоки, в частности на построенной в 1724 г. проволочной фабрике Екатеринбургского завода.

На развитие волочильных станов большое влияние оказала соответствующая мануфактурному способу производства организация труда, основанная на пооперационном разделении основных процессов. В зависимости от передаваемой нагрузки станы конструировали большей или меньшей мощности. При этом длину рабочего хода клещей обычно увеличивали с уменьшением диаметра протягиваемой проволоки.

Кроме рычажно-клещевых вододействующих волочильных станов, в XVI в. в Италии применялось вододействующее волочильное устройство с качающимся сиденьем, описанное итальянским инженером В. Бирингуччо в труде "Пиротехника" (1540 г.).

Вододействующее волочильное устройство с качающимся сиденьем представляет собой (рисунок 5) усовершенствованный вариант применявшегося в древности простейшего аналогичного приспособления, которому придан гидравлический двигатель, позволивший заменить ручной труд энергией водяного колеса. Такие устройства применялись в Италии для волочения толстой железной проволоки. По описанию В. Бирингуччо устройство состоит из волочильной доски, укрепленной между двумя забитыми в землю деревянными опорами, гидравлического колеса и соединенного с ним коленчатого вала, подвешенного на железных стержнях сиденья и приямка под ним глубиной "по колено". К кривошипу вала привязан ремень, соединенный свободным концом с железной полосой (тягой). На другом конце полосы крепилось кольцо, тянувшее клещи.

Рисунок 5. – Вододействующее волочильное устройство с качающимся сиденьем

Несмотря на появление и развитие вододействующих волочильных станов в этот период сохранилось и ручное волочение проволоки при помощи различных приспособлений и устройств.

Волочильная скамья применялась вплоть до конца XVIII в. и даже позже, в мелких мастерских, она служила основным оборудованием для волочения толстых и средних сортов проволоки. Воротовые клещи широко применялись в XVIII в. и в последующий период в ремесленном и фабричном производствах большинства стран Европы. В 1805 г. воротовым клещам уделено значительное внимание в статье академика Я.Захарова, посвященной технике волочения проволоки из благородных металлов [57].

Рисунок 6. - Волочильный станок с червячной передачей и тянущим винтом

Интересные зарисовки волочильных станков с ручным приводом и краткие пояснения к ним оставил Леонардо да Винчи. К волочению металлов он обратился, как увидим далее, в связи с проблемой получения гладких и равномерных по толщине металлических лент для изготовления больших зажигательных вогнутых зеркал. Наилучшим способом выделю равномерных, с гладкой поверхностью металлических листов была бы, конечно, прокатка в гладких валках, которые были хорошо известны ученому.

В рассматриваемый период большое внимание уделялось совершенствованию волочения с приемом проволоки на катушку и барабан. Для привода широко использовался ручной труд. Лишь в конце XVII в. были созданы первые вододействующие волочильные станы барабанного типа.

Волочение на катушку практиковалось на протяжении XV—XVIII вв. и позже во многих странах для производства тонкой проволоки. Одной из разновидностей было волочильное устройство, получившее на русских золотоканительных фабриках название "круг". В отличие от катушки круг имеет больший диаметр и напоминает "некоторый род колеса из дерева выточенного". На верхней плоскости круга есть отверстия для рукоятки, расположенные на различных расстояниях от центра, — Для изменения радиуса вращения. При волочении более толстой проволоки, требующей большого усилия волочения, рукоятку вставляют в дальнее от оси отверстие, чем достигается выигрыш в силе. Верхний конец рукоятки свободно движется в гнезде бруса, укрепленного на потолке.

В производстве применялись станки с вертикальной и горизонтальной осью вращения барабана. Станки с вертикальным барабаном использовались преимущественно в тонком, а с горизонтальным барабаном — в толстом волочении.

Существенный сдвиг в развитии волочильного производства наступил в 70-х годах XVII в., когда применявшаяся для привода волочильных барабанов мускульная сила человека была заменена энергией гидравлического колеса. С этого времени вододействующие волочильные барабаны стали быстро распространяться на железопроволочных фабриках [44].

Вододействующий волочильный барабанный стан состоял из тягового, или приемного, конического барабана, установленного на вертикальном валу и приводимого в движение парой зубчатых колес (деревянных или металлических). На станине помещалась отдаточная вращающаяся фигурка и волокодержатель с волокой. Пуск приемного барабана осуществлялся соединенным с ним рычагом. В зависимости от действия рычага барабан мог подниматься или опускаться и, соответственно, входить или выходить из зацепления с валом.

Передовая практика волочильного дела первой половины XVIII в. допускала протяжку на вододействующих барабанах проволочной заготовки диаметром 2,0—2,5 мм. Барабаны применялись исключительно для производства тонкой проволоки с конечным диаметром до 0,22 мм. Производительность волочильных барабанов была небольшой. Дневная выработка тонкой железной проволоки (№ 6) на Екатеринбургской фабрике составляла 0,6 кг [12].

ТЕХНИКА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ МАШИННО-ФАБРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА (конец XVIII - 70-е годы XIX вв.)

ВВЕДЕНИЕ. История развития дисциплины «Обработка металлов давлением»

Прокатное производство является завершающей стадией производственного цикла металлургического завода. Через прокатные цехи проходит около 90% выплавляемого металла. В прокатных цехах металлу придают форму готовых изделий (рельсы, трубы) или заготовок (листы, прутки). Прокатные изделия широко применяются в машиностроительных и метизных заводах, на транспорте, в строительстве, в сельском хозяйстве.

Роль металлургии в развитии народного хозяйства огромна. Без производства металлов, особенно железа и его сплавов, была бы немыслима современная цивилизация.

В наследство от царской России СССР получил отсталую промышленность. Накануне первой мировой войны Россия производила стали в восемь раз меньше, чем Америка, в три раза меньше, чем Германия, в два раза меньше, чем Англия. Отставание наблюдалось не только по объёму производства, но и по техническому уровню. Особенно это было характерно для Урала, где преобладали мелкие заводы с отсталой техникой. Заводы Украины и Донбасса имели более высокий технический уровень, но условия работы на этих предприятиях были очень тяжёлыми.

За годы первой мировой войны, а затем гражданской войны металлургия нашей страны была приведена в состояние полной разрухи. В 1921 г. было, произведено стали лишь 194 тысяч тонн и проката 147 тысяч тонн. К 1926 г. все прокатные станы, за небольшим исключением, были восстановлены, производство проката выросло до 2249 тысяч тонн. С 1926 по 1928 г. осуществлялась реконструкция действующих заводов, механизация некоторых трудоемких процессов. Многие заводы достигли и превысили довоенный уровень производства. В 1937 году Советский Союз вышел по объему производства на второе место в Европе и третье место в мире. В 1941 г. нападение фашисткой Германии нанесло тяжелый удар по отечественной металлургии. Но, не смотря на разрушения металлургическая промышленность станы была восстановлена в сравнительно короткий срок. Уже в 1950 г. по объему производства она превысила довоенный уровень на 45% и набирала темпы до начала 90-ых годов.

В развитии теории обработки металлов давлением и теории прокатки русским ученым принадлежит ведущая роль. Прогрессивные в этой отрасли знаний складывались еще в дореволюционной России. До сих пор не утратили своего значения выдающиеся открытия русских ученых П.П. Аносова и Д.К. Чернова о превращениях, происходящих в металла при обработке давлением. Но всестороннее развитие теория обработки металлов получила лишь за годы Советской власти. Обобщающие труды И.М Павлова «Теория прокатки и основы пластической деформации», А.Ф. Головина «Прокатка» послужили руководством при подготовке целого поколения инженеров и техников-прокатчиков.

Задачи и содержание дисциплины «Обработка металлов давлением»

Полноценная подготовка специалистов для современных предприятий возможна лишь при условии овладевания учащимися основами теории производственных процессов. В соответствии с этим требованием учебные планы подготовки техников-прокатчиков предусматривает изучение теории прокатки.

В данной дисциплине содержатся лишь основные положения теории прокатки и пластической деформации металлов. Первая ее часть направлена на ознакомление студентов с основными закономерностями и понятиями пластической деформации металлов, которые являются общими для всех видов обработки металлов давлением.

Во второй части рассматривается теория наиболее совершенного и производительного процесса обработки металлов давлением - прокатки. Основное внимание уделено изучению простейшего случая – деформации прямоугольной полосы в гладких цилиндрических валках, на примере которого выясняются главнейшие явления и закономерности процесса прокатки.

Теория прокатки базируется на достижениях таких наук, как физика, математика, химия, теоретическая механика, сопротивление материалов и материаловедение. В свою очередь сама теория прокатки служит основой для изучения технологии, оборудования и организации прокатного производства. Твердое усвоение основ теории прокатки является важным условием подготовки квалифицированного специалиста-прокатчика.

Читайте также: