Волочение и прессование

Волочение– процесс пластической деформации металла, осуществляемый протягиванием прутка через отверстие в инструменте – волоке. Волочение осуществляется следующим образом: передний конец заготовки (пруток, катанок) заостряют, вводят в коническое отверстие волоки меньшего диаметра, чем заготовка, захватывают клещами и протягивают через волоку. Коэффициент вытяжки при волочении за один переход ограничивается прочностью выходящего конца изделия и составляет 1,3–1,5. Волочением обрабатывают стали различного состава, прецизионные сплавы и цветные металлы. Путем волочения получают изделия малых сечений и большой длины: проволоку, прутки и различные профили, в том числе, тонкостенные трубы малого диаметра (рис. 4.8). Волочение полых изделий проводят на короткой неподвижной оправке, на плавающей оправке и без оправки. Машины, применяемые для волочения металлов и сплавов, называют волочильными станами.

Рис. 4.8. Сложные (а) и пустотелые (б) профили, получаемые волочением

Волочение осуществляется чаще всего при комнатной температуре. Волочение с нагревомприменяют при обработке труднодеформируемых металлов и сплавов.

Волочение обеспечивает высокую точность размеров, малую шероховатость поверхности, большую степень упрочнения.

Прессование – процесс выдавливания металла из контейнера через одно или несколько отверстий в матрице с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки. При прессовании реализу­ется одна из самых благоприятных схем нагружения, обеспечиваю­щая максимальную пластичность – всестороннее неравномерное сжатие. Это позволяет обрабатывать малопластичные металлы (например, вольфрам), металлические порошки и гранулы, а также неметаллические материалы. Обычно коэффициент вытяжки при прессовании составляет 10–50, а в отдель­ных случаях может быть значительно выше. Прессованием изготавливают изделия сложной формы поперечного сечения, которые не удается изготовить другими методами пластической деформации. Прессованием изготавливают прутки диаметром 3–5 мм, полые профили сложного сечения, с несколькими каналами и т.п. (рис. 4.9).

Рис. 4.9.Схемы прямого (а) и обратного (б) прессования, получение пустотелого профиля (в) на примере трубы: 1 – заготовка; 2 – контейнер; 3 – пуансон; 4 – пресс-шайба; 5 – матрица; 6 – матрица-держатель; 7 – заглушка; 8 – игла

Получение различных изделий на одном и том же оборудовании с заменой только матрицы ставит прессование вне конкуренции с другими процессами при мелкосерийном производстве. Прессованные изделия из сталей и сплавов часто являются заготовками для получения изделий волочением, холодной прокаткой и др. способами обработки. В зависимости от направления движения металла различают два метода прессования.

При прямом прессовании (рис. 4.9, а) заго­товку 1 помещают в полость контейнера 2 и с помощью мощного пресса через пуансон 3 и пресс-шайбу 4 выдавливают на­гретый или холодный металл через отвер­стие в матрице 5, укрепленной в матри­це-держателе 6.

При обратном прессовании (рис. 4.9, б) давление пресса передается через полый пуансон 3 с смонтированной внутри его матрицей 5. Таким образом, металл заготовки 1 течет навстречу движению пуансона.

Прямое прессование требует бóльших усилий, т.к. значительная часть их затрачивается на преодоление трения при перемещении металла заготовки внутри матрицы. Поэтому значительная часть металла заготовки не может быть выдавлена из контейнера. Остающаяся его часть – пресс-остаток – составляет в отдельных случаях 30–40% от массы исходной заготовки. Усилие при обратном прессовании примерно на 25% меньше, пресс-остаток также почти вдвое меньше, чем при прямом. Однако сложность конструкции пресса для обратного прессования и ограниченность размеров получаемых изделий по длине препятствуют широкому внедрению этого метода.

Ковка

Ковкой называют вид обработки давлением, при котором исходную заготовку деформируют многократным воздействием универсального инструмента – бойка – для придания телу заданной формы и размера (при этом течение металла в стороны не ограничивается).

Заготовки, получаемые в результате ковки, называются поковками. В современном машиностроении около 20% всех деталей получают из поковок, что позволяет значительно сократить потери металла в виде стружки при последующей обработке резанием. Для получения крупных поковок массой от нескольких сотен килограммов до 300 т (валы гидротурбин, турбинные диски, валки прокатных станов) в качестве заготовок используют слитки массой до 350 т. Для более мелких поковок в качестве заготовок применяют прокат или слитки УНРС (см. п. 4.1).

К основным операциям ковки относят биллетировку, осадку, протяжку, пробивку, прошивку, гибку, скручивание, отрубку и кузнечную сварку.

Рис. 4.10.Операции ковки: а – осадка; б – протяжка; в – раскатка; г – протяжка на оправке; д – гибка; е – закручивание; ж – рубка; з – пробивка; и – прошивка

Биллетировка слитка заключается в деформации заготовки в направлении ребра для получения формы тела вращения. Деформацией устраняется первоначальная конусность слитка, разрушается литая структура, осуществляется заварка несплошностей, пустот и др. дефектов слитка. Биллетировку проводят с одного нагрева и заканчивают отрубкой донной части слитка.

Осадка – уменьшение высоты заготовки за счет увеличения площади ее поперечного сечения (рис. 4.10, а). Осадку производят бойками или осадочными плитами. Заготовки, у которых отношение высоты к диаметру или к меньшей стороне поперечного сечения больше 2,5, осаживать не рекомендуется во избежание возможного изгиба заготовки.

Протяжка (рис. 4.10, б) – удлинение заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Она осуществляется последовательными обжатиями отдельных, примыкающих друг к другу участков заготовки при ее подаче вдоль оси и кантовке относительно продольной оси. Разновидностями протяжки являются раскатка (рис. 4.10, в) и протяжка на оправке (рис. 4.10, г). Раскатка – увеличение диаметра кольцевой заготовки при вращении за счет уменьшения ее толщины с помощью бойка и оправки. При раскатке ширина кольца несколько уве­личивается. Инструментами для раскатки служат плоский боек, оправка и люнет. Протяжка на оправке – увеличение длины прошитой заготовки за счет обжатия ее по обе стороны оправки двумя бойками (нижним вырезным и верхним плоским или обоими вырезными бойками). При протяжке наружный диаметр и толщина стенки заготовки уменьшаются. Раскаткой изготовляют поковки колец, а протяжкой на оправке – поковки сосудов высокого давления, стволов орудий и др.

Гибка (рис. 4.10, д) – образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы. Гибку осуществляют с помощью различных опор, приспособлений, в подкладных штампах или с помощью цехового крана.

Скручивание (рис. 4.10, е) – поворот части поковки вокруг продольной оси, например, при развороте колен кованых коленчатых валов.

Отрубка (рис. 4.10, ж) – полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента – топора – для удаления прибыльной и донной частей слитка, лишних концов поковки или для разделения длинной поковки на более короткие части.

Пробивка (рис. 4.10, з) – образование в заготовке отверстия с удалением металла в отход путем сдвига. Отверстия диаметром до 500 мм пробивают сплошным прошивнем с применением подкладного кольца, а отверстия большего диаметра прошивают полым прошивнем, применяя в случае высокой заготовки надставки. Часть металла удаляют при этом вместе с прошивнем.

Прошивка (рис. 4.10, и) – получение полостей в заготовке за счет вытеснения металла; служит самостоятельной операцией для образования отверстия либо подготовительной операцией для последующей раскатки или протяжки заготовки на оправке.

Кузнечная сварка – образование неразъемного соединения нескольких частей (внахлестку, в разруб, встык) под действием давления в нагретом состоянии. В связи с развитием новых видов сварки эта операция применяется редко.

Ковка улучшает свойства и качество металла. Волокнистое строение металла, образующееся в направлении пластического течения, при ковке может быть упорядочено так, чтобы неоднородность прочностных и пластических свойств поковок вдоль и поперек волокна не сказывалась на работоспособности конечных изделий (см. пп. 1.6.1). Структура металла после ковки (как и после штамповки) не является окончательной, она определяется последующей термической обработкой. При нагреве до ковочных температур зерна увеличиваются, поэтому все участки нагретой заготовки должны быть прокованы для измельчения зерен, и ковку следует заканчивать при температурах, близких к нижнему пределу ковочных температур, чтобы избежать роста зерен после ковки в остывающей поковке.

Горячая штамповка

Штамповка– это процесс обработки металла давлением, при котором формообразование заготовки происходит в специальном инструменте – штампе. Течение металла в штампе ограничивается поверхностями полости штампа, и в конечный момент штамповки при смыкании они образуют единую замкнутую полость, соответствующую по конфигурации требуемой поковке.

Штамповка производится на молотах, прессах, горизонтально-ковочных или радиально-обжимных машинах, ковочных вальцах и др. оборудовании. Штамповка улучшает свойства и качество металла, что в сочетании с термической обработкой, позволяет получать детали с мелкозернистой структурой, обладающей повышенными прочностными и пластическими свойствами.

Горячая объемная штамповка(ГОШ)– процесс, осуществляемый при повышенной температуре с помощью штампа, состоящего из двух и более частей. Для придания заготовке требуемой конфигурации штамп имеет полости, называемые ручьями. Заготовка, деформируясь, заполняет ручьи и принимает нужную форму. Штамповка по сравнению с ковкой обеспечивает повышенную точность размеров получаемой поковки и более высокую производительность. На практике применяют два вида штамповки: облойную (с большим заусенцем – облоем) в открытых штампах и безоблойную (при отсутствии облоя) в закрытых штампах (рис.4.11). Оба метода предусматривают штамповку в одном или нескольких ручьях.

При облойной штамповкепоковку 1 получают из цилиндрической заготовки 5 (рис. 4.11, а), в штампе, состоящем из двух частей: верхней 7, прикрепляемой к бабе молота, и нижней 8, прикрепляемой к штамподержателю и шаботу молота. Нагретую заготовку 5 ставят в нижнюю половину штампа на торец. При деформации металл заполняет ручей, образуя черновую поковку 4. При облойной штамповке облой 2, 3 образуется по месту разъема штампа из-за избытка металла. Появление облоя опережает заполнение металлом ручьев штампа. При последующем уменьшении зазоров штампа облой создает подпор по контуру поковки, что способствует заполнению металлом труднодоступных углов ручья. Облойную щель между частями штампа выполняют в виде специальной канавки по периметру поковки. Образовавшийся облой впоследствии удаляется с помощью обрезных штампов. Сортамент штамповок, получаемых в открытых штампах, более широкий, т.к. облойная штамповка надежно обеспечивает заполнение всех полостей штампа.

Рис. 4.11. Схемы облойной (а) и безоблойной (б) штамповки

При безоблойной штамповке в закрытых штампах (рис. 4.11, б)заготовку помещают в полость нижней части штампа 2, а деформацию выполняют верхней частью 1. Небольшой заусенец, который может образоваться по плоскости разъема, практически не влияет на процесс штамповки и является результатом избыточного объема заготовки. Для облегчения извлечения поковки 3 из штампа его стенки изготавливают с уклоном; могут также использоваться и специальные выталкиватели. Основным преимуществом безоблойной штамповки является снижение отходов металла.

Горячая листовая штамповка(ГЛШ)используется при изготовлении крупногабаритных деталей паровых и гидравлических турбин большой мощности, деталей прессов, прокатных станов, морских судов, подводных лодок, элементов космических аппаратов и др.

Холодная штамповка

Обычно под холодной штамповкой понимают штамповку без предварительного нагрева заготовки. Холодную штамповку чаще всего выполняют на кривошипных и гидравлических прессах или специальных холодноштамповочных автоматах с помощью штампов. Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения качественных заготовок в машиностроительной, приборостроительной, электротехнической и др. отраслях промышленности. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при небольших отходах металла, а также низкую трудоемкость и себестоимость изготовления. Производительность холодной штамповки в 2–3 раза выше, чем горячей, и в 10–15 раз выше по сравнению с обработкой резанием. При массовом производстве с помощью холодной штамповки получают детали из большой номенклатуры сталей, сплавов цветных металлов и неметаллических материалов; детали симметричные и асимметричные; со шлицами, канавками, ступенчатыми полостями и др. сложных форм. Масса деталей, штампуемых на автоматах, достигает 3,5 кг, а на прессах – 40 кг, диаметр поковок – до 200 мм.

Принято различать холодную объемную штамповку и холодную листовую штамповку.

Холодная объемная штамповка (ХОШ) – экономичный способ изготовления деталей, чаще всего тел вращения. Полученные детали, как правило, не требуют дальнейшей механической обработки и имеют высокие прочностные свойства. ХОШ выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах (см. рис. 4.6, д). Ее основными разновидностями являются выдавливание, высадка и объемная формовка.

Выдавливание применяется для изготовления деталей преимущественно цилиндрической или близкой к ней формы, например корпусов автомобильных свечей зажигания, конденсаторных батарей, генераторов и т.п. Точность размеров и шероховатость поверхностей деталей соответствуют получаемым при обработке резанием.

Высадка – это осадка части заготовки, т.е. образование местных утолщений требуемой формы, например головки болтов, винтов, шурупов, гвоздей и заклепок. Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка диаметром 0,5–50 мм из черных и цветных металлов. Высадкой изготовляют стандартные и специальные крепежные детали – метизы, а также колеса, детали массового производства, например кулачки и зубчатые колеса заодно с валом и т.п. Высадку выполняют на холодновысадочных автоматах различных конструкций. Производительность автоматов достигает 400 деталей в минуту.

Холодная формовка – это формообразование деталей вследствие заполнения металлом полости штампа. Производится в открытых штампах с вытеканием излишка металла в специальную полость с образованием облоя и в закрытых штампах. Конструкции штампов, применяемых для холодной формовки, подобны штампам, используемым при горячей объемной штамповке. Кроме прессов для холодной формовки применяют высокопроизводительные многопозиционные автоматы с большими технологическими возможностями.

При холодной штамповке коэффициент использования металла достигает 95% вместо 30–40% при обработке резанием. Трудоемкость изготовления болтов на холодновысадочных автоматах в 200–400 раз меньше, чем на токарно-револьверных станках. Кроме того, при холодном деформировании формируется благоприятно ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках.

Холодная листовая штамповка (ХЛШ) развивается в последние десятилетия наиболее быстрыми темпами, т.к. отличается низкой себестоимостью и металлоемкостью, высокой производительностью и точностью штампуемых изделий, хорошим качеством поверхности, а также малоотходностью.

К разделительным операциям листовой штамповки относятся:

- отрезка – разделение заготовки по незамкнутому контуру;

- вырубка – разделение заготовки по замкнутому контуру, при котором отделяемая часть является деталью;

- пробивка – разделение заготовки по замкнутому контуру, при котором отделяемая часть является отходом.

К основным формообразующим операциям листовой штамповки относятся:

- гибка – сгибание под углом одной части плоской заготовки по отношению к другой;

- вытяжка с утонением и без утонения стенок пустотелых, открытых с одной стороны деталей из плоских заготовок (см. рис. 4.6, е);

- отбортовка – получение отогнутых бортов вокруг предварительно пробитых отверстий.

- обжим – уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки сужающейся полостью матрицы;

- раздача – увеличение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки путем вдавливания в нее расширяющегося пуансона;

- формовка – создание выступов, впадин или ребер жесткости на листовом материале (капот и крышка багажника автомобиля, боковины канистр и т.п.);

- вальцовка – получение волнистой (гофрированной) поверхности и даже резьбы (вытяжные и водосточные трубы, цоколя электроламп и т.п.).

Для холодной листовой штамповки крупногабаритных деталей помимо уникального механического оборудования используют также энергию ударных волн возбуждаемых различными способами:

Штамповка взрывом использует давление жидкости или образующихся при взрыве газов, под действием которых листовая заготовка деформируется и принимает форму матрицы. Чаще всего, установленная на матрицу листовая заготовка опускается вместе с матрицей в бассейн с водой, а затем над ними производят подрыв бризантного взрывчатого вещества.

Электрогидравлическая штамповка (ЭГШ) подобна штамповке взрывом, но ударная волна возникает при электрическом разряде в жидкости. Используют два метода превращения электрической энергии в механическую в жидкой среде – разряд конденсатора через зазор в жидкости при напряжении 10–30 кB или разряд конденсатора через испаряющуюся алюминиевую проволочку.

Магнитно-импульсная штамповкаотличается тем, что давление на деформируемую стальную заготовку создается непосредственным воздействием импульсного магнитного поля. Это позволяет штамповать детали из полированных и лакированных заготовок без повреждения поверхности, а также деформировать заготовки, заключенные в герметичную пластмассовую оболочку.