Обработка металлов давлением свободная ковка

Обновлено: 04.10.2024

Существует большое количество технических вариантов обрабатывания металлических изделий: как ручных, так и автоматизированных (при эксплуатации специального оборудования). Однако несмотря на широкий выбор, простые обыватели и настоящие профессионалы нередко выбирают способ обработки металла давлением. Отличительной чертой пластической деформации является не только изменение формы детали, но и ее физических, механических свойств. Благодаря этому технология активно применяется в разных сферах промышленности и производства. Еще одна причина популярности – таким образом можно значительно повысить производительность и сэкономить расходование сырья, чем при помощи иных аналогичных методик.

Что такое обработка металлов давлением

ОМД представляет собой изменение параметров и размера заготовок благодаря влиянию на них внешними условиями с дальнейшим сохранением и закреплением полученного результата. Такой эффект достигается за счёт высокой пластичности материалов, поддающихся отделке. После завершения всех рабочих этапов удаётся получить готовое изделие, форма и габариты которого полностью соответствует заявленным заказчиком требованиям. Для увеличения пластичности, перед работой с этим материалом, его прогревают до высоких температурных показателей. Для любой разновидности существуют установленные критерии нагрева, которые имеют четкую зависимость от физико-химических показателей.

Суть обработки металлов посредством давления определяется тем фактом, что атомы при взаимодействии со сторонними факторами обретают тенденцию и склонны принимать иное, устойчиво стабильное положение в кристаллической форме решетке. Важно, чтобы величина этого воздействия была больше допустимого значения пределов металлической упругости. Данный процесс называется пластическая деформация, которая способна изменить не только внешний критерий оценки и габариты изделия, но и его физико-химические параметры. Чтобы обеспечить правильность выполнения с технической точки зрения, нужно обладать профессиональным подходом, иметь необходимое оснащение. Подобрать качественное оборудование легко и удобно в каталоге компании «Сармат».

Разновидности

На основании условий, в которых осуществляется ОМД, специалисты выделяют два направления. Они пользуются примерно одинаковой популярностью на современном рынке, но последняя относится к более инновационной методике. Их отличительными особенностями являются:

• Холодная разновидность, напротив, имеет температурный уровень, ниже рекристаллизации.
• Вид - горячая обработка металлов давлением выбирается при температурных показателях, превышающих баланс нагрева при рекристаллизации материала.

Схемы основных категорий металлообработки

В основе лежит получение заготовки, соответствующей техническому заданию и формату посредством пластической деформации. Доминирующая особенность пластинчатости (в сравнении с упругим аналогом) — это сохранение деформированных форм и параметров после устранения внешних сил, оказывающих влияние. Достижение такого результата объясняется тем, что атомы движутся относительно друг друга на величины, превышающие межатомное расстояние и, после прекращения воздействия на них, не способны вернуться в исходное положение.

Горячая и холодная штамповка металла известна на протяжении многих столетий. Последняя раньше была основным методом изготовления металлической посуды. Это связано с тем, что её отличает быстрота исполнения, отличное качество и доступная стоимость. Такие параметры особенно ценны при массовом производстве и крупном бизнесе, требующем быстрого создания товаров в больших объемах.

Прокатка

Эта разновидность ОМД подразумевает под собой применение двух движущихся валиков, которые обжимают изделие с обеих сторон. Скорость их вращения устанавливается самостоятельно. Целью этой манипуляции является снижение геометрических данных поперечного сечения, а также достижение желаемой конфигурации. Деформация заготовки происходит за счёт трения (толщина минимизируется, а длина и ширина — увеличивается). Данным методом могут обрабатываться металлические листы и ленты, но при условии применения гладких валков. Помимо этого, методика используется при работах с деталями фасонного профиля, но с привлечением ручьевого валка. Типы прокатки металла:

1. Продольная — изделие пропускается через движущиеся в разных направлениях валки, из-за чего оно обжимается до толщины расстояния между ними.
2. Поперечная — эта разновидность необходима для преобразования материала в форму шара, конуса, цилиндра или друг вращающихся тел. Таким образом изготавливают бесшовные балки и многие строительные предназначения для работы.
3. Поперечно-винтовая — в большинстве случаев, она используется для создания и переработки полых заготовок.

Помимо этого, в зависимости от присутствия или отсутствия подогрева, в качестве подготовительного процесса работы, специалисты выделяют холодную или горячую прокатку металла.

Ковка

Данная технология отнесена к категории высокотемпературных способов металлической обработки. Пред тем, как приступить к делу, деталь нагревается до высоких температурных показателей. Температура выставляется и зависит от вида материала, из которого выполнено изделие. Сегодня применяется несколько методов. Важно выделить:

• Ручная — осуществляется руками мастера и применяется по мере необходимости изготовить небольшую партию заказа. Они не ограничены в рабочей зоне, поэтому формируют любое положение в пространстве.
• Штамповки — предусматривают подготовительные работы, в виде помещения заготовки в штамповую матрицу, не позволяющей ей свободно перемещаться. Благодаря этому она полностью повторяет форму матричной полости.
• С применением дополнительного специализированного оснащения (пневматического, гидравлического или паровоздушного).

Метод ковки при обработке металлов давлением, в подавляющем большинстве, выбирается для разовых заказов и мелкосерийного производства. Перед тем как приступить к этой процедуре, деталь разогревается и помещается между двумя ударными положениями молота (бойки). Помимо бойки можно использовать также топор, раскатку или обжимку. Основными ковочными операциями служат:

1. Осадка — уменьшение высоты болванки за счёт увеличения площади поперечного сечения.
2. Высадка — это, своего рода, осадки. Проведение этого этапа требует наличия оправки (подкладной инструмент).
3. Протяжка — увеличение длины посредством снижения площади поперечного сечения.
4. Раскатка на оправе — внутренний и внешний диаметр увеличивается, а стенозная толщина уменьшается.
5. Пошивка — создание сквозных или глухих отверстий. Рабочим инструментом выступает прошивень, а для отвода необходима выдра.
6. Скручивание — поворот определенного участка вокруг продольной оси.

Прессование

Этот вид ОМД подразумевает под собой помещение металлического предмета в специальную форму с дальнейшим выдавливанием через имеющееся отверстие. Эти процессы происходят за счёт мощного пресса и давления, которое способствует выталкиванию. При этом важно помнить, что площадь отверстия не должна превышать площадь сечения используемого изделия. При выполнении этой работы деталь приобретает вид прута, форма и технические свойства которого устанавливаются в зависимости от отверстия. Эта методика отличается простотой и высокой эффективностью. Она часто применяется для оловянных, медных, свинцовых, алюминиевых или цинковых предметов.

На основании того, какой материал используется, прессование металла бывает холодного и горячего типа. Если изделие выполнено из алюминиевого, оловянного, медного или прочего вещества, то оно не нагревается. Если используемые предметы имеют в составе никель или титан, осуществляется нагрев заготовки и рабочего инструмента. Выделяют 2 метода:

1. Прямой — выдавливание осуществляется в направление движения пуансона.
2. Обратный — перемещается навстречу движениям пуансона.

Использование этой тактики ОМД нередко сокращает срок эксплуатации, в связи с чем рекомендуется периодически наносить на рабочие поверхности минеральные масла, графит, канифоль или жидкое стекло. Несмотря на множество достоинств этой обработки, её главным недостатком считается большой пресс остаток (порядка 20%) в прессовочной камере.

Волочение металла

Главным инструментом, используемым в этой методике, является фильера (или волока). Овальная или фасонная форма пропускается через фильерное отверстие, из-за чего создаётся необходимый профиль с поперечным сечением. Лучший пример исполнения этой техники — это создание проволоки, подразумевающее протягиванием заготовки с большим диаметром через несколько фильеров. В результате этих действий происходит его превращение в изделие нужного размера. Технология пользуется спросом при необходимости получения деталей маленького диаметра, создании фасонных профилей, производстве тонкостенных труб и калибровки.

Материалом для волоки может быть инструментальная сталь, металлокерамический сплав или технический алмаз (при тонкой проволоке). Целью этой техники служил уменьшение трения, повышение стойкости инструментария и улучшение отвода тепла.

Существует несколько разделений волочения по разным критериям. Одной из них является:

• Сухое — в случае привлечения мыльной стружки.
• Мокрое волочение предполагает работу с мыльной эмульсией.

Также к основным категориям обработки металлов давлением на практике относятся следующие разновидности:

1. Однократное — осуществляемся единственным проходом.
2. Многократное — требует более одного прохода, благодаря чему осуществляется постепенное снижение поперечного сечения.

Объемная штамповка

Это технологический процесс, в результате которого происходит пространственное изменение различных объемных заготовок, имеющих простейшую геометрическую конфигурацию (цилиндрическую, призматическую и т.п.), для того, чтобы изготовить из них детали гораздо более сложной формы. Такой эффект реализуется посредством специального штампа. Исходя из конструктивной реализации, эта методика делится на 2 основных вида:

1. Открытая — даёт возможность не придерживаться весовой точности. В ней предусмотрен зазор, расположенный между их движущимися элементами, куда отправляется лишний объём материала. Работая с открытым типом, необходимо удалить облой, который формируется по контуру.
2. Закрытая — эта холодная и горячая обработка металлов под давлением не имеет специальных отверстий, а создание изделия проводится в ограниченном пространстве. Но важным условием является грамотный расчёт габаритов (вес и объём).

Листовая

Исходя из ожидаемого результата, эта разновидность ОМД делится на:

• Разделительную — включает в себя пробивку, отрезку и вырубку.
• Формообразующую — состоит из таких элементов, как чеканка, а также гибка и раздача и т.д.

При работе с этой методикой требуется гидравлический пресс или кривошипно-шатунный. Главной деталью этого оборудования считается штамп из матричных элементов и пунсона. Отличительной особенностью метода является отсутствие необходимости обрабатывать в дальнейшем. Для обеспечения высококачественного эффекта, применяемые детали должны иметь высокую точность.

Сегодня самым популярным и распространенным способом обработки является штамповка листового металла под давлением. Она пользуется спросом среди большинства промышленных отраслей, что значительно расширяет область применения. С ее помощью производятся как небольшие элементы радиоэлектронных аппаратов, так и кузова автомобилей и иных транспортных средств.

Комбинированная

Эта разновидность ОМД актуальна при возникновении необходимости одновременного использования нескольких технологий. Комбинировать можно любые доступные на сегодняшний день методы. Их определение зависит от конечной цели, желаемого результата и текущего технического оснащения. На практике комбинирование проводится достаточно часто, так как это дает возможность создавать более сложные формы и конфигурации.

На практике используется схема прокатки, которая позволяет оптимизировать производственный процесс и ускорить обработку. Благодаря высокому уровню пластичности используемого в производстве сырья, выбор наиболее подходящей технологии проходит исходя из конечной цели изготовителя. Показатели способствуют созданию продукта необходимых размеров, заданным показателям или конкретным тех.заданиям. Максимальное количество промышленных отраслей задействуют в своем рабочем процессе разнообразные методы и технологии. При этом учитываются такие обязательные факторы, как общие условия, при которых проводится изготовление и направление деятельности предприятия.

Работа с металлическими изделиями — это сложный, кропотливый и длительный процесс, требующий ответственного подхода. Для достижения желаемого и технически верного результата обязательно требуется привлечение специалистов и оборудования. Добиться этого в домашних условиях практически невозможно, поэтому крайне важно обратиться в проверенную фирму, которая сможет предоставить достаточное количество оборудования, способного удовлетворить требования заказчика. Компания «Сармат» обладает этими возможностями, позволяя реализовать самые сложные задумки.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработка металлов давлением основана на свойстве металла необратимо, без разрушения изменять форму и размеры под давлением действующих на него сил. Ме­таллы, предназначенные для обработки давлением, дол­жны обладать ковкостью. Ковкость - это свойство ме­таллов и сплавов, которое позволяет подвергать их ков­ке, прокатке, прессованию и штамповке. Ковкими являются большинство чистых металлов, углеродистая сталь с содержанием углерода до 1,1 %, легированные стали, латунь, некоторые алюминиевые и магниевые сплавы и др.

Ковкость характеризуется двумя показателями: пла­стичностью, т. е, способностью металла подвергаться без разрушения деформации под давлением, и величиной его сопротивления деформированию. У ковких металлов от­носительно высокая пластичность сочетается с относи­тельно низким сопротивлением деформированию. Хруп­кие металлы и сплавы не являются ковкими, так как они не обладают достаточной пластичностью даже в нагретом состоянии.

В процессе холодной пластической деформации изме­няются механические и физико-химические свойства ме­таллов. Это происходит потому, что при деформации зерна металла измельчаются, дробятся и вытягиваются в направлении наибольшего увеличения размеров обра­батываемого изделия. Металл при этом получает ясно выраженное волокнистое строение. Вдоль волокон меха­нические свойства металла повышаются, а поперек оста­ются без изменения, понижаются пластичность и вяз­кость, повышаются прочность и твердость металла.

Изменение свойств металла в процессе холодной пла­стической деформации называется упрочением, или на­клепом. Если изделие подвергают дальнейшей обработ­ке на станке или изменение свойств металла под влияни­ем холодной обработки нежелательно, наклеп снимают отжигом.

Холодную обработку давлением без нагрева металла, сплава или с нагревом до температуры ниже темпера­туры рекристаллизации используют при прокате, штам­повке и волочении. Холодная обработка металла давле­нием дает чистую поверхность и высокую точность раз­меров изделия.

Некоторые металлы и сплавы обрабатывают давлени­ем только после нагрева до определенной температуры. В этом случае большое значение имеет точное определе­ние температуры начала и конца нагрева. Образование волокнистой структуры изменяет механические свойства металла вдоль и поперек направления вытяжки.

При обработке давлением заготовки нагревают в спе­циальных устройствах: пламенных и методических печах, нагревательных колодцах и электрических печах. Чтобы избежать возникновения внутренних напряжений и пре­дохранить поверхность заготовок от окисления, нагревать металл следует постепенно и равномерно. В любой на­гревательной печи должны быть приборы, позволяющие контролировать температуру нагреваемой заготовки.

Пламенные печи используют для нагрева заготовок небольшого размера. Заготовки большого размера на­гревают в нагревательных колодцах. В методических пе­чах идет непрерывный процесс загрузки, нагрева и вы­дачи заготовок. Наиболее часто при обработке металлов давлением пользуются электрическими печами, которые позволяют автоматизировать процесс нагревания загото­вок.

Основными способами обработки металлов давлени­ем являются: свободная ковка, штамповка, прокатка, прессование и волочение.

Свободная ковка заключается в нагреве до темпера­туры выше 850°С стальной заготовки в печи (горне). Ме­таллу, который лежит на наковальне, ударами молота придают требуемую форму (свободная ковка). Изделие, полученное в результате ковки, называют поковкой.

Ковка бывает ручная и машинная. К основным опе­рациям ручной ковки относятся: вытяжка, осадка, гиб­ка, прошивка отверстий, рубка, закручивание, выглажи­вание. Для выполнения этих операций используют на­ковальни, кузнечные молоты (ручники), гладилки для выравнивания поверхности плоских поковок, клещи с плоскими и круглыми губками для удержания нагретых заготовок, пробойники для прошивки отверстий, кузнеч­ные зубила для рубки металла, обжимки для прида­ния . заготовкам различной формы поперечного сече­ния и т. д.

Вытяжка - это операция, при которой происходит увеличение длины поковки за счет уменьшения ее попе­речного сечения. При этом заготовка лежит на нако­вальне, и после каждого удара молота ее поворачивают так, чтобы сохранить форму прежнего сечения. Осадка - это уменьшение длины заготовки за счет увеличения ее поперечного сечения.

Гибку применяют для изменения контура заготовки при изготовлении ручного немеханизированного инстру­мента, например багров, крюков, ломов и т. д.

Прошивку используют для получения сквозных от­верстий в теле заготовки.

В зависимости от формы применяемого бородка по­лучают круглые, квадратные и прямоугольные отверстия.

Рубка- отделение части металла от целой заготов­ки для последующей обработки.

Закручивание применяют для придания большей жесткости полосе прямоугольного сечения. При закручи­вании один конец заготовки вращается вокруг своей оси, при этом другой конец закреплен в тисках.

Рис 3.10. Ковка в штампах Рис 3.11. Схема процесса прокатки

1-верхний штамп; 2- заготовка; 3-нижний штамп 1- прокатные валки; 2- заготовка

Выглаживание- завершающий этап ручной ковки, придающий изделию ровную поверхность.

После свободной ковки изделия в дальнейшем под­вергают механической и термической обработке.

Штамповка (рис. 3.10) - процесс обработки давле­нием, при котором металл, деформируясь, принимает форму штампа определенного изделия. Штампы выпол­няют разъемными из твердых и прочных сталей. Заго­товку нагревают до температуры ковки и помещают в нижнюю часть штампа. Верхнюю часть штампа при­крепляют к ударной части молота. Под действием ударов заготовка деформируется и принимает форму штампа. Кроме горячей штамповки существует холодная штам­повка, которую применяют для изготовления изделий из тонких полос и листов стали, алюминия, меди, латуни толщиной до 8 мм (листовая штамповка).

Штамповку детали сложной формы осуществляют в многоступенчатом штампе. В этом случае заготовку для обработки перекладывают из одного штампа в другой до тех пор, пока изделие не примет необходимой формы.

При штамповке очень важно правильно определить необходимое количество металла. Недостаток металла приводит к тому, что полость штампа оказывается неза­полненной, а излишек металла образует слишком боль­шие заусенцы.

Штамповка является прогрессивным технологичес­ким процессом. При ковке в штампах уменьшаются при­пуск на механическую обработку и допуски на размеры поковки. Путем штамповки изготовляют многие детали пожарной техники: картеры и коленчатые валы двигате­лей пожарных автомобилей и мотопомп, корпусы кисло­родных изолирующих противогазов и детали механизма подачи кислорода, детали приборов пожарной связи.

Прокатка (рис. 3.11) - технологический процесс, при котором металл обжимается между вращающимися ва­ликами прокатных станов, при этом происходит умень­шение поперечного сечения изделия и увеличение его длины. Прокатку выполняют в горячем виде на прокат­ных станах. Станы для прокатки крупных отливок на­минаются блюмингами. Основной частью прокатного стана является клеть (одна или несколько), в которой расположены валки. Валки вращаются от электродвигателя через редуктор.

В зависимости от выпускаемой продукции станы бывают листо- и сортопрокатные, рельсобалочные, специ­альные. Наибольшее распространение получили двух- и трехвалковые станы. Для выпуска высокосортного про­ката применяют многовалковые станы.

В пожарной технике часто используют металлические заготовки, полученные путем прокатки. Например, мяг­кую листовую сталь применяют для изготовления кузовов пожарных автомобилей, крыльев, капотов и т. д. Из декапированной стали изготовляют корпусы пенных огнетушителей. На трубопрокатных станах делают заготовки «ля кислородных и углекислотных баллонов. На специ­альных роликовых станах получают прокат сложного учения для тетив автолестниц.

Прессование (рис. 3.12) применяют для получения прутков, труб и сложных профилей из различных металлов и сплавов. Сущность процесса прессования состоит в том, что нагретый металл или сплав из контейнера выдавливают через отверстие требуемого сечения. Прессование бывает прямое и обратное.

Прямой метод прессования заключается в том, что нагретую заготовку помещают в полость контейнера. При давлении штока на пресс-шайбу металл вытекает через отверстие в матрице, которая удерживается опорным концом. Прессование осуществляют при помощи гидравлических прессов.

Рис. 3.12. Схема прессования металла а — прямой метод: 1- шток;2- контейнер; 3- пресс-шайба;4- обрабаты­ваемый металл; 5- матрица с отверстием; б - обратный метод: 1- шток 2- контейнер;3- матрица с отверстием; 4- обрабатываемый металл; 5 - упорная шайба

Рис. 3.13. Схема процесса волочения

1-заготовка; 2- фильера;

3 – волочильная доска

При обратном способе прессования заготовка, заключенная в контейнер, выдавливается через отверстие в матрице, на которую давит трубчатый шток, при этом металл течет навстречу штоку.

Волочение (рис. 3.13) применяют для получения про­волоки точных размеров, прутков, труб малого сечения, полос и профилей. Волочение заключается в протягивании заготовки через калиброванное отверстие - фильеру, расположенную в волочильной доске. Последняя име­ет несколько фильер различного диаметра. Размеры фильер уменьшаются с таким расчетом, чтобы наимень­шее отверстие соответствовало требуемому диаметру из­делия. Фильеры изготовляют из высококачественной легированной стали или твердого сплава. Для уменьшения трения фильеры непрерывно смазывают струей масла.

Общие сведения об обработке металлов давлением

1. Обработка давлением основана на способности металлов необратимо изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. Она обеспечивает получение заготовок для производства деталей, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых форм и размеров с необходимыми механическими и физическими свойствами.

Обработка давлением – прогрессивный, экономичный и высокопроизводительный способ металлообработки, развивающийся в направлении максимального приближения форм и размеров заготовки к форме и размерам детали, что обеспечивает лучшее использование металла, сокращение трудоёмкости последующей обработки резанием и уменьшением себестоимости продукции.

При производстве металлических изделий широко применяют обработку металлов давлением как в горячем состоянии, так и в холодном. Основными способами обработки металлов давлением являются прокатка, волочение, прессование, ковка и штамповка.

Прокатка – один из важных способов обработки давлением, которым обрабатывается более 75% выплавляемой стали.

Прокатка осуществляется захватом заготовки 2 (рис. 22, а) и деформации ее между вращающимися в разные стороны валками 1 прокатного стана; при этом толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличиваются. Валки имеют гладкую поверхность для прокатки листов или вырезанные ручьи, составляющие калиб­ры, для получения круглой или квадратной полосы, рельсов и т. д.

Волочение – процесс, при котором заготовка 2 (рис. 22, б) протягивается на волочильном стане через отверстие инструмен­та 1, называемого волокой; при этом поперечное сечение заготовки уменьшается; а длина ее увеличивается.

Рис. 22 Схемы основных способов обработки металлов давлением:

а – прокатка; б – волочение; в – прессование; г – ковка; д – объ­емная штамповка; е – листовая штамповка

Прессование представляет собой выдавливание заготовки 4 (рис. 22, в), помещенной в специальный цилиндр – контейнер 3,через отверстие матрицы 5, удерживаемой матрицедержателем 6;выдавливание производят при помощи пресс – шайбы 2 и пуансона 1. В зависимости от формы и размеров отверстия матрицы получают разнообразные изделия.

Ковка металла заключается в обжатии заготовки 2 (рис. 22, г) между верхним 1 и нижним 3 бойками молота с применением раз­нообразного инструмента. Свободной ковкой получают поковки раз­личных размеров простой или сложной формы на молотах или прессах.

Штамповка – процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и разме­ры получаемой поковки. Различают объемную и листовую штам­повку.

При объемной штамповке (рис. 22, д) на горячештамповочных молотах и прессах заготовка 2 деформируется в штампе 1. Листовая штамповка (рис. 22, е) осуществляется на холодноштамповочных прессах. При помощи пуансона 1, прижима 2, матрицы 3 листовая заготовка 4 превращается в изделие.

2. Различают горячую и холодную обработки металлов давлением.

Горячая обработка металлов давлением характеризуется явлениями возврата и рекристаллизации, отсутствием упрочнения (наклёпа); механические и физико-химические свойства металла изменяются сравнительно мало. Пластическая деформация не создаёт полосчатости (неравномерности) микроструктуры, но приводит к образованию полосчатости макроструктуры у литых заготовок (слитков) или к изменению направления волокон макроструктуры (прядей неметаллических включений) при обработке металлов давлением заготовок, полученных прокаткой, прессованием и волочением. Полосчатость макроструктуры создаёт анизотропию механических свойств, при которой свойства материала вдоль волокон обычно лучше его свойств в поперечном направлении.

При холодной обработке металлов давлением процесс пластической деформации сопровождается упрочнением, которое изменяет механические и физико-химические характеристики металла, создаёт полосчатость микроструктуры и также изменяет направление волокон макроструктуры. При холодной обработке металлов давлением возникает текстура, создающая анизотропию не только механических, но и физико-химических свойств металла. Используя влияние обработки металлов давлением на свойства металла, можно изготавливать детали с наилучшими свойствами при минимальной массе.

Для получения заготовок обработкой давлением используют различные деформируемые материалы: углеродистые, легированные и высоколегированные стали, жаропрочные сплавы, сплавы на основе алюминия, меди, магния, титана, никеля и др.

Исходными заготовками для обработки металлов дав­лением являются плоские и круглые слитки разных раз­меров и массы из стали и цветных сплавов.

До обработки давлением слитки подвергают механи­ческой обработке, которая заключается в отрезке при­быльной и донной частей и очистке поверхности от ли­тейных пороков.

Размеры и масса слитков зависят от их назначения. Цилиндрические слитки предназначаются для изготовле­ния прутков, профилей и труб. Их получают главным об­разом методом непрерывного литья. Плоские слитки при­меняют для изготовления различных поковок, листов, лент, полос и т. п.

3. Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с литейным производством и обработкой резанием – возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т. д.) при наименьшей их массе.

Эти и другие преимущества обработки металлов давлением (отмеченные ниже) способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением.

Ковка (свободная ковка)

Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента (бойка) путем его удара или нажатия. Нагретый металл укладывают на нижний боек, а верхним бойком последовательно деформируют металл на отдельных частях заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента (отсюда второе название – «свободная ковка»).

Ковкой получают заготовки для последующей механической обработки. Эти заготовки называют кованными поковками, или просто поковками.

В качестве исходной заготовки для ковки используются слитки массой до 320 т, а также прокат квадратного, круглого или прямоугольного сечения. Крупные слитки имеют многогранное сечение (6 – 12 граней), слитки небольшого веса (до 2 – 3 т), особенно из легированных сталей, имеют круглое или квадратное сечение. По форме слитки подразделяются на малоприбыльные; бесприбыльные (из таких слитков изготавливают поковки типа труб, колец, венцов шестерен, пустотелых валов и.т.п.); полые, используемые для изготовления поковок баллонов и труб, испытывающих высокие давления (полые слитки из легированных сталей); удлиненные, обычно используемые для изготовления относительно длинных осей, валов и др., поковок подобного типа.

Ковка является единственно возможным способом изготовления тяжелых поковок (до 250 т и более) типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и.т.п. Ковку подразделяют на ручную и машинную. Ручной ковкой получают мелкие поковки в единичном производстве и при ремонтных работах с помощью наковальни и кувалды. Машинная ковка производится на молотах и гидравлических прессах.

Величина деформации при свободной ковке может быть выражена либо относительным изменением площадей поперечного сечения , либо коэффициентом уковки , где – большая площадь поперечного сечения; – меньшая площадь поперечного сечения.

При ковке (прокатке) литого металла первичные кристаллы (дендриты) дробятся и вытягиваются в направлении наибольшей деформации; т.е. при этом идут те же процессы и явления, что и при прокатке (образование волокнистой структуры, анизотропия свойств; заваривание пузырей, трещин, пор и т.п.). Практикой установлено, что для получения качественных поковок из конструкционных сталей коэффициент уковки для слитков должен превышать 2, 5, 3, а для проката не менее 1,1-1,3. В тех случаях, когда производится ковка сталей карбидного класса, например, быстрорежущей или инструментальной стали марки X12M, в которых содержатся трудноразрушаемые карбиды и ледобуритная эвтектика, коэффициент уковки для слитков должен приниматься не менее 10-12.

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. К основным операциям ковки относится (рис.3.14): осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка, скручивание.

Осадка – операция увеличения площади поперечного сечения исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты. Применяется для изготовления шестерен, дисков и т.п., а также как предварительная операция при изготовлении пустотелых поковок типа колец, барабанов, и т. п.

Разновидность осадки – высадка – заключается в местном увеличении поперечного сечения. Применяется для получения головок болтов, буртов, фланцев и т. п.

Протяжка (вытяжка) – операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Производится последовательными ударами или нажатием на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому.

При деформации заготовки образуется выпучивание ее граней, не соприкасающихся с бойками. Для устранения этого явления в процессе вытяжки заготовку периодически или после каждого удара (нажима) кантуют (поворачивают) на 90 о вокруг ее оси. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (особенно при протяжке круглого сечения) значительные растягивающие напряжение, приводящие к образованию осевых трещин.

При протяжке в вырезанных бойках силы, направленные с четырех сторон, к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образование осевых трещин.

а) б) г)

в)

Рис.3.14. Операции при ковке: осадка (а), высадка (б), протяжка (в), прошивка (г).

К разновидностям протяжки относится:

Разгонка – операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины.

Протяжка с оправкой – операция увеличение длины пустотелой заготовки за счет уменьшение толщины ее стенок.

Протягивают к расширяющемуся концу оправки, что облегчает ее удаление из поковки.

Раскатка на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.

Прошивка – операция получения в заготовке за счет вытеснения металла сквозных отверстий или углублений (глухая прошивка) с помощью прошивня, диаметр которого, примерно равен половине или одной трети наружного диаметра заготовки. При большом диаметре прошивня заготовка искажается.

Отрубка (рубка) – операция отделения части заготовки по незамкнутому контору путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента топора.

Гибка – операция предания заготовке изогнутой формы по заданному контору. Гибкой получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п.

Скручивание – операция, посредством которой часть заготовки поворачивается вокруг продольной оси. Применяется при развороте колен коленчатых валов, при изготовлении сверл и т.п. При скручивании обычно одну часть заготовки зажимают между бойками, другую разворачивают с помощью различных приспособлений – воротков, ключей, лебедок.

При изготовлении небольшой партии лебедок с относительно сложной конфигурации (головки гаечных ключей, головки болтов, диски со ступицей, втулки с буртом и др.) применяют штамповку в подкладных штампах.

При осадке, протяжке и др. кузнечных операциях в очаге деформации наблюдается неравномерное формоизменение. Последнее проявляется в бочкообразности осаживаемой заготовки, принятым квадратной исходной формы близкой к круглой и т.д. При равномерной осадке, когда силы трения между поверхностями заготовки и бойков пренебрежимо малы, исходная заготовка сохраняет форму поперечного сечения, например, прямоугольную (рис.3.15а).

В действительности на поверхностях контакта металла и инструмента действуют подпирающие силы трения, которые обусловливают переход от линейного напряженного состояния к объёмному. При этом каждая точка деформируемого тела перемещается в горизонталь, плоскости в том направлении, в котором создается наименьшее сопротивление ее перемещению со стороны контактных сил трения. Тормозящее действие этих сил проявляется тем сильнее, чем больше протяженность контакта инструмента и деформируемого тела в данном направлении.

В этом состоит сущность закона наименьшего сопротивления, сформированного С.Н. Губкиным: в случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая точка деформируемого тела в различных перемещается в направлении наименьшего сопротивления. Направление наименьшего сопротивления является направление кратчайшей нормали из этой точки к периметру сечения. Для точки (а) на рисунке направление кратчайшей нормали к периметру – по стрелке 1. Направления 2, 3, 4 и любое другое имеют большую протяженность к периметру. Благодаря такому характеру течения металла в начальный период осаживании в горизонтальной плоскости появятся области течения с условными линиями раздела, образуемые биссектрисами углов . Соответственно точка b будет перемещаться при осадке не по линии раздела, а по стрелке. Следствием такого характера течение металла при осадке является то, что квадратное сечение превращается в круглое, а прямоугольное – в эллиптическое (рис.3.15, б). Если продолжить осадку заготовки эллиптического сечения, то оно также будет превращаться в круглое сечение. Превращение при осадке прямоугольного или эллиптического профиля в круглое сечение характерно для любой формы профиля. Это положение называют правилом наименьшего периметра при осаживании. При больших степенях осадки угол наклона линии раздела , где arcctg .

Рис.3.15. Осадка заготовок прямоугольного и квадратного сечений при отсутствии сил трения (а) и при наличии больших сил трения (б).

Описанный характер течения металла используют при протяжке заготовки плоскими или выпуклыми бойками, когда уменьшением подачи достигают увеличение длины поковки. Для этого при протяжке пользуются узкими бойками – давление возрастает, а значит, возрастают силы трения, и материал будет течь главным образом в длину.

Машинную ковку производят на ковочных молотах или ковочных прессах.

Рис.3.16. Схема молота для ковки.

Различают следующие виды молотов:

1. Пневматические. Применяются для ковки мелких поковок (массой до 20 кг), их изготавливают с массой падающих частей 50-1000 кг. Частота ударов верхнего бойка 95 – 210 мин -1 . Можно наносить удары регулируемой энергии, осуществлять силовой прижим поковки к нижнему бойку и держать бабу на весу.

2. Паровоздушные. Применяют для изготовления поковок средней массы (20-350 кг); масса падающих частей 1000…8000 кг. Приводится в движение паром или сжатым воздухом. Могут совершать удары регулируемой энергии, прижимать поковки между бойками и удерживать бабу на весу.

Прессы – машины статического действия, продолжительность деформации у них может составлять от единицы до десятков секунд. Для ковки применяют гидравлические прессы, в которых усилие создается с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла) высокого давления (20-30 МН/м 2 ), подаваемой в рабочий цилиндр. Основная характеристика пресса – наибольшее усилие, развиваемое плунжером. Для изготовления крупных поковок из слитков применяются ковочные гидравлические прессы усилием 5-100 МН.

Кроме массы поковки на выбор того или иного оборудования оказывает влияние химический состав деформируемого металла. Такие металлы как высоколегированные стали (особенно инструментальные), жаропрочные и некоторые цветные сплавы обладают низкими скоростями рекристаллизации и пониженной пластичностью, поэтому не допускают большой скорости деформации. При ковке таких металлов рекомендуется применять прессы, а не молоты. При большой массе поковки из-за динамического характера деформирования пластическую деформации получают только верхние слои, внутренние слои (вследствие затухание ударных волн) остаются не деформированными.

Технологический процесс свободной ковки состоит из следующих операций:

1) Подготовки исходного металла (осуществление в заготовленном отделении цеха, при этом удаляются поверхностные дефекты, резка заготовки на мерные длины);

2) Нагрева металла перед ковкой;

3) Собственно ковки;

4) Отделки поковки (удаления поверхностных дефектов; очистки от окалины, шлака и песка; отжига или нормализации).

Разработка технологического процесса ковки включает:

а) Составление чертежа поковки;

б) Расчет размеров и веса заготовки;

в) Выбор кузнечных операций и установление их последовательности с указанием необходимого основного и вспомогательного инструмента и приспособлений;

г) Выбор печи для нагрева;

д) Установление режимов нагрева, охлаждения, промежуточной термообработке, если требуется;

е) Выбор кузнечного оборудования и его мощности:

ж) Определение состава кузнечной бригады и норм выработки.

Чертеж поковки составляют на основании разработанного конструктором чертежа готовой детали припусков, допусков и напусков.

Припуск – предусмотренное превышение размеров поковки против номинальных размеров детали, обеспечивающее после обработки резанием требуемые чертежом размеры детали и чистоту ее поверхности. Величина припуска определяется размером детали, ее конфигурацией и типом применяемого ковочного оборудования и др. факторов.

Допуск – допустимое отклонение от номинального размера поковки, т.е. разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами поковки.

Напуск – увеличение припуска, упрощающее конфигурацию поковки ввиду невозможности или нерентабельности изготовления поковки по контуру детали.

Припуск, допуск, напуск назначают в строгом соответствии с ГОСТ.

Расчет заготовки включает в себя определение объема слитка , его массы , среднего поперечного сечения и длины заготовки . Объем заготовки определяют из следующих уравнений:

в случае заготовки-слитка:

а в случае заготовки из проката

где – объем поковки; – объем прибыльной части, поставляющей 20 – 30 % от объема слитка; – объем донной части, составляющий 5 – 10 % от объема слитка; – объем обсечек, равный 5 – 8 от объема слитка для простых поковок и 20 – 30 % для сложных поковок; – угар металла, равный 2 – 3 % от объема слитка при первом нагреве, а при последующих нагревах 1 – 1,5%.

Вес (массы) заготовки определяют с учетом плотности металла.

Площадь поперечного сечения заготовки определяют по заданному коэфффициенту уковки:

где у (для слитка) или в случае заготовки из проката.

Длина заготовки определяется по формуле

Для ковки оборудование выбирают в зависимости от режима ковки данного металла или сплава, массы поковки и ее конфигурации. Аналитический расчет необходимой мощности оборудования во многих случаях – сложный вопрос, поэтому часто используют приближенную формулу и таблицы из справочников.

Последовательность операций устанавливают в зависимости от конфигурации поковки и технических требований на неё, от вида заготовки (слиток, прокат).

Технологические требования к деталям, получаемым из кованных поковок сводятся главным образом к тому, чтобы форма поковок должна быть наиболее простой, очерченной цилиндрическими поверхностями и плоскостями. Следует избегать в поковках конических и клиновых форм. Надо учитывать трудность выполнения ковкой участков пресечение цилиндрических поверхностей между собой и с призматическими поверхностями. В поковках необходимо избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т.п., так как эти элементы ковкой изготовить в большинстве случаев невозможно. В местах сложной конфигурации приходится прибегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Необходимо стремиться, чтобы конфигурация поковки позволяла получить при ковке наиболее благоприятное расположение волокон.

Обработка металлов давлением – ОМД: разновидности и особенности технологии

ОМД, или обработка металлов давлением, возможна благодаря тому, что такие материалы отличаются высокой пластичностью. В результате пластической деформации из металлической заготовки можно получить готовое изделие, форма и размеры которого соответствуют требуемым параметрам. Обработка металла давлением, которая может выполняться по различным технологиям, активно используется для выпуска продукции, применяемой в машиностроительной, авиационной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности.

Обработка листового металла давлением на прокатном станке

Физика процесса обработки металлов давлением

Сущность обработки металлов давлением состоит в том, что их атомы такого материала при воздействии на них внешней нагрузки, величина которой превышает значение его предела упругости, могут занимать новые устойчивые положения в кристаллической решетке. Такое явление, которым сопровождается прессование металла, получило название пластической деформации. В процессе пластической деформации металла изменяются не только его механические, но и физико-химические характеристики.

В зависимости от условий, при которых происходит ОМД, она может быть холодной или горячей. Различия их состоят в следующем:

1. Горячая обработка металла выполняется при температуре, которая выше температуры его рекристаллизации.
2. Холодная обработка металлов, соответственно, осуществляется при температуре, находящейся ниже температуры, при которой они рекристаллизуются.

Ковка раскаленной заготовки на молоте – вид горячей обработки металла давлением

Виды обработки

Обрабатываемый давлением металл в зависимости от используемой технологии подвергается:

1. прокатке;
2. ковке;
3. прессованию;
4. волочению; ; ;
5. обработке, выполняемой комбинированными способами.

Основные виды обработки металла давлением

Прокатка – это обработка давлением заготовок из металла, в ходе которой на них воздействуют прокатные валки. Целью такой операции, для выполнения которой необходимо использование специализированного оборудования, является не только уменьшение геометрических параметров поперечного сечения металлической детали, но и придание ей требуемой конфигурации.

Виды прокатных валков

На сегодняшний день прокатку металла выполняют по трем технологиям, для практической реализации которых необходимо соответствующее оборудование.

Это прокатка, являющаяся одним из самых популярных методов обработки по данной технологии. Сущность такого способа обработки металла давлением заключается в том, что заготовка, проходящая между двумя валками, вращающимися в противоположные стороны, обжимается до толщины, соответствующей зазору между этими рабочими элементами.

По такой технологии обрабатывают давлением металлические тела вращения: шары, цилиндры и др. Выполнение обработки данного типа не предполагает, что заготовка совершает поступательное движение.

Это технология, которая представляет собой нечто промежуточное между продольной и поперечной прокаткой. С ее помощью преимущественно обрабатываются полые металлические заготовки.

Виды прокатки металла

Такая технологическая операция, как ковка, относится к высокотемпературным методам обработки давлением. Перед началом ковки металлическую деталь подвергают нагреву, величина которого зависит от марки металла, из которого она изготовлена.

Обрабатывать металл ковкой можно по нескольким методикам, к которым относятся:

• ковка, выполняемая на пневматическом, гидравлическом и паровоздушном оборудовании;
• штамповка;
• ковка, выполняемая вручную.

При машинной и ручной ковке, которую часто называют свободной, деталь, находясь в зоне обработки, ничем не ограничена и может принимать любое пространственное положение.

Ручная ковка используется в кузнечных мастерских при изготовлении небольшого количества изделий

Машины и технология обработки металлов давлением по методу штамповки предполагают, что заготовка предварительно помещается в матрицу штампа, которая препятствует ее свободному перемещению. В результате деталь принимает именно ту форму, которую имеет полость матрицы штампа.

К ковке, относящейся к основным видам обработки металлов давлением, обращаются преимущественно в единичном и мелкосерийном производстве. Разогретую деталь при выполнении такой операции располагают между ударными частями молота, которые называются бойками. При этом роль подкладных инструментов могут играть:

• обычный топор:
• обжимки различных типов;
• раскатка.

При выполнении такой технологической операции, как прессование, металл вытесняется из полости матрицы через специальное отверстие в ней. При этом усилие, которое необходимо для осуществления такого выдавливания, создается мощным прессом. Прессованию преимущественно подвергают детали, которые изготовлены из металлов, отличающихся высокой хрупкостью. Методом прессования получают изделия с полым или сплошным профилем из сплавов на основе титана, меди, алюминия и магния.

Прессование в зависимости от материала изготовления обрабатываемого изделия может выполняться в холодном или горячем состоянии. Предварительному нагреву перед прессованием не подвергают детали, которые изготовлены из пластичных металлов, таких как чистый алюминий, олово, медь и др. Соответственно, более хрупкие металлы, в химическом составе которых содержится никель, титан и др., подвергаются прессованию только после предварительного нагрева как самой заготовки, так и используемого инструмента.

Установка холодного прессования изделий из листового металла

Прессование, которое может выполняться на оборудовании со сменной матрицей, позволяет изготавливать металлические детали различной формы и размеров. Это могут быть изделия с наружными или внутренними ребрами жесткости, с постоянным или разным в различных частях детали профилем.

Волочение

Основным инструментом, при помощи которого выполняется такая технологическая операция, как волочение, является фильера, называемая также волокой. В процессе волочения круглая или фасонная металлическая заготовка протягивается через отверстие в фильере, в результате чего и формируется изделие с требуемым профилем поперечного сечения. Наиболее ярким примером использования такой технологии является процесс производства проволоки, который предполагает, что заготовка большого диаметра последовательно протягивается через целый ряд фильер, в итоге превращаясь в проволоку требуемого диаметра.

Технологические процессы получения проволоки методом волочения

Классифицируется волочение по целому ряду параметров. Так, оно может быть:

• сухим (если выполняется с применением мыльной стружки);
• мокрым (если для его выполнения используется мыльная эмульсия).

По степени чистоты формируемой поверхности волочение может быть:

Линия волочения медной проволоки

По кратности переходов волочение бывает:

• однократным, выполняемым за один проход;
• многократным, выполняемым за несколько проходов, в результате которых размеры поперечного сечения обрабатываемой заготовки уменьшается постепенно.

По температурному режиму этот вид обработки металла давлением может быть:

Сущность такого способа обработки металла давлением, как объемная штамповка, состоит в том, что получение изделия требуемой конфигурации осуществляется при помощи штампа. Внутренняя полость, которая сформирована конструктивными элементами штампа, ограничивает течение металла в ненужном направлении.

В зависимости от конструктивного исполнения штампы могут быть открытыми и закрытыми. В открытых штампах, применение которых позволяет не придерживаться точного веса обрабатываемой заготовки, предусмотрен специальный зазор между их подвижными частями, в который может выдавливаться избыток металла. Между тем использование штампов открытого типа вынуждает специалистов заниматься удалением облоя, образующегося по контуру готового изделия в процессе его формирования.

Особенностью горячей штамповки металла является воздействие высокой температуры, вследствие чего заготовка деформируется, принимая форму штампа

Между конструктивными элементами штампов закрытого типа такой зазор отсутствует, и формирование готового изделия происходит в замкнутом пространстве. Для того чтобы обрабатывать металлическую заготовку при помощи такого штампа, ее вес и объем должны быть точно рассчитаны.

Листовая штамповка

При помощи листовой штамповки готовые изделия получают из листового металла. В зависимости от того, какого результата необходимо добиться в процессе выполнения такой технологической операции, различают штамповку:

1. разделительную (отрезка, вырубка и пробивка);
2. формообразующую (гибка, вытяжка, раздача, отбортовка, чеканка и др.).

Для выполнения листовой штамповки используют гидравлические или кривошипно-шатунные прессы, рабочими органами которых являются штампы, состоящие из матрицы и пунсона.

Примеры изделий, изготовленных методом листовой штамповки

Качество готового изделия, которое обеспечивает листовая штамповка, позволяет не подвергать его последующей механической обработке. Для того чтобы обеспечить это качество, матрица и пунсон должны быть хорошо разработаны и изготовлены с высокой степенью точности.

Листовая штамповка – это одна из наиболее распространенных методик ОМД, которая активно применяется почти во всех отраслях промышленности. По такой технологии, в частности, производят как мельчайшие детали радиоэлектронных устройств, так и массивные кузова автотранспортных средств.

Получить более полное представление о способах обработки металла давлением, позволяет видео, демонстрирующее их в мельчайших подробностях.

Читайте также:

  
• Металлические тарелочки музыкальный инструмент
  
• Лазерная резка металла без выходных
  
• Металлическая коза дева мужчина
  
• Сверхтвердые сверла по металлу
  
• Превращения в металлах и сплавах при нагреве и охлаждении