Металлообработка

Обработка металлов давлением (ОМД). Виды, свойства, оборудование для обработки давлением

Процесс обработки металлов давлением (ОМД) – это придание материалу требуемой формы, размеров и физико-механических свойств без нарушения его сплошности путем пластической деформации.

Существенными достоинствами ОМД являются:

  • возможность значительного уменьшения отхода металла (до 20–70 %) по сравнению с обработкой резанием;
  • возможность повышения производительности труда, так как в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки;
  • изменение физико-механических свойств металла заготовки в процессе пластической деформации, которое можно использовать для получения деталей с наилучшими служебными свойствами (прочностью, жесткостью, сопротивлением износу и т. д.) при наименьшей их массе.

Эти достоинства приводят к тому, что удельный вес ОМД в металлообработке неуклонно растет. Совершенствование технологических процессов ОМД, а также применяемого для этих целей оборудования приводит к расширению номенклатуры деталей, изготовляемых обработкой давлением, к увеличению диапазона деталей по массе и размерам, к повышению точности размеров полуфабриката, получаемого в результате ОМД.

1. Общие сведения

Обработка металлов давлением основана на их пластической деформации под действием внешних сил, в результате которой металлическая заготовка приобретает определенную форму и размеры. В ходе пластической деформации зерна измельчаются, структура металла в целом улучшается и, как следствие, улучшаются механические свойства (рис. 1).

Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия всех внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размера, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил.

Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с другими, например обработкой резанием, – возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократного приложения деформирующей силы 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.

Обработке металлов давлением (ОМД) поддаются только пластичные металлы и сплавы, а хрупкие (например, марганец, чугун) пластически не деформируются, и поэтому к ним ОМД не применяют. Пластичность металлов (и сплавов) при нагревании повышается.

Поэтому некоторые металлы и сплавы (например, свинец, алюминий, однофазная латунь) обычно подвергают ОМД в холодном состоянии, другие (например, сталь) – как в холодном, так и в горячем состоянии. При ОМД большая часть имеющихся в отливке микротрещин, пор и газовых раковин завариваются. В результате повышается плотность металлов, улучшается также их структура – становится мелкозернистой с размерами кристаллитов от сотых до десятых долей миллиметра, в результате существенно улучшаются механические свойства. При этом образуется волокнистая структура с выраженной анизотропией механических, магнитных и электрических свойств.

Заготовки, получаемые ОМД для последующей механической обработки, называют поковками.

2. Физические основы ОМД

Обработка металлов давлением основана на способности металлических материалов пластически деформироваться в результате воздействия внешних сил. Деформацией называется изменение форм и размеров тела под действием напряжений.

Растущее напряжение вызывает в металле вначале упругую деформацию, затем пластическую и, наконец, разрушение.

Деформация, исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся – остаточной, или пластической.

Упругая деформация – обратимая. Атомы смещаются из положения равновесия, а после снятия нагрузки возвращаются на свои места.

Пластическая деформация остается после снятия нагрузки. Атомы смещаются на значительные расстояния и занимают новые устойчивые положения. Слои металла смещаются относительно друг друга, идет скольжение слоев.

При достижении некоторой величины напряжения происходит разрыв межатомных связей, зарождается и растет трещина – происходит разрушение.

Законы пластической деформации:

1. Закон постоянства объема: объем тела до деформации равен его объему после деформации (рис. 1). Используется для определения размеров заготовок.

Закон постоянства объема

Рис. 1. Закон постоянства объема

2. Закон наименьшего сопротивления: каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления (рис. 2). Используется для определения формы изделия после ОМД.

Закон наименьшего сопротивления

Рис. 2. Закон наименьшего сопротивления

Бочкообразная форма поковки объясняется действием сил трения между заготовкой и бойками молота.

3. Закон сдвигающего напряжения: пластическая деформация начнется, если сдвигающие напряжения достигнут определенной величины, зависящей от материала тела и условий деформирования. Используется при расчетах необходимого усилия прессования:

где σ – напряжение; Р – сила; F – площадь сечения.

где σ02 – предел текучести; σв – предел прочности.

3. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

В каждом металле при вполне определенной максимальной пластической деформации возникают микротрещины и микропоры, которые развиваются, растут и приводят к его разрушению.

Эта деформация характеризует пластичность металла и определяется путем проведения испытаний в различных условиях деформации.

При нагреве пластичность металла увеличивается, а сопротивление деформированию уменьшается.

Это объясняется тем, что в процессе пластической деформации наряду с упрочнением (наклепом) наблюдается разупрочнение, т. е. восстановление пластичности.

В зависимости от соотношения скоростей этих двух процессов различают холодную, неполную горячую и горячую деформацию.

4. Классификация видов ОМД

Процессы ОМД по назначению подразделяют на два вида:

  1. для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов и других профилей); основные разновидности – прокатка, прессование и волочение;
  2. для получения заготовок, близких по форме и размерам к готовому изделию; основные разновидности – ковка и штамповка.

4.1. Холодная ОМД

Холодная деформация сопровождается упрочнением металла в полном объеме, так как процессы разупрочнения (рекристаллизация, возврат) не успевают протекать.

При холодной ОМД в результате пластической деформации зерна (и блоки в них) измельчаются и вытягиваются в направлении наибольшего течения металла (рис. 3, а–в), а кристаллическая решетка искажается (деформируется): в ней увеличиваются дефекты – возрастает плотность дислокаций и концентрация вакансий. Происходит упрочнение металла, называемое наклепом.

Наклеп всегда образуется при холодной ОМД. Наклеп повышает твердость и предел прочности на разрыв σв металлов, но снижает относительное удлинение перед разрывом δ (пластичность) и вязкость (см. рис. 3, д), несколько понижает удельную электропроводность γ и коррозионную стойкость.

Структура и механические свойства стали в зависимости от степени деформации

Рис. 3. Структура и механические свойства стали (С = 0,09 %) в зависимости от степени деформации (обжатия) φ, %: а – до деформации; б – φ = 35 %; в – φ = 90 %; г – зависимость σв и δ от φ; д – зависимость твердости по Виккерсу HV от φ

Чтобы металл не разрушался при дальнейшей деформации, на определенной стадии ОМД наклеп снимают рекристаллизационным отжигом.

При отжиге стали, начиная от температуры 550 °С и выше, вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными. Они (и блоки в них) укрупняются, одновременно снижаются внутренние напряжения и значительно выпрямляется кристаллическая решетка. В результате повышаются удельная электропроводность φ и пластичность при некотором снижении твердости и предела прочности на разрыв (рис. 3).

Рекристаллизационный отжиг уменьшает плотность дислокаций (с 1010–1012 см–2 до 106–108 см–2). Температура рекристаллизационного отжига Трекр углеродистой стали зависит от ее состава и составляет Трекр ~ 650–700 °С.

Для меди наилучшей Трекр является температура примерно 500– 700 °С (температура начала заметного отжига равна ~200 °С), алюминия – Трекр = 330–370 °С (начало заметного отжига при –150 °С). В общем виде для металлов Трекр = 0,4Тпл. В зависимости от температуры и времени отжига, степени деформации φ, природы металла и т. д. величина зерна может уменьшиться или увеличиться. При уменьшении зерна существенно улучшаются механические свойства, но увеличивается ρ. При укрупнении зерна у электротехнических сталей и технического железа улучшаются магнитные свойства.

При неполной горячей деформации происходят частичное восстановление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле.

Они наблюдаются при температуре Трекр = (0,25…0,3)Тпл, где Тпл – температура плавления металла.

При неполной горячей пластической деформации металл упрочняется в меньшей степени, чем при холодной, и приобретает строчечную и волокнистую структуру.

4.2. Горячая ОМД

Горячая деформация характеризуется таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, т. е. зарождения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме металла. Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру и упрочнение деформированного металла. Для чистых металлов она протекает при температуре Трекр > 0,47Тплав.

Горячую ОМД осуществляют при температуре Т > Трекр, которая обычно равна (0,7–0,75)Тпл. При этой температуре одновременно с деформацией происходит рекристаллизация, поэтому наклепа не образуется. При горячей ОМД зерна и расположенные между ними неметаллические включения (так же, как и при холодной ОМД) вытягиваются, и структура металла становится волокнистой (рис. 4).

Структура и механические свойства наклепанной стали в зависимости от температуры отжига

Рис. 4. Структура и механические свойства наклепанной (обжатие = 90 %) стали (С = 0,09) в зависимости от температуры отжига: а – 550 °С, б – 600 °С, в – 650 °С, г – 800 °С (время отжига 1 ч); д – зависимость предела прочности на разрыв σв и относительного удлинения перед разрывом δот температуры отжига

Поскольку при нагревании пластичность металлов увеличивается, горячую ОМД целесообразно применять для стальных отливок и труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов. Однако при горячей ОМД окислительные процессы протекают более интенсивно, вследствие чего качество поверхности поковок и точность размеров хуже, чем при холодной ОМД.

5. Основные виды обработки металлов давлением

Основными видами ОМД являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, объемная и листовая штамповка.

5.1. Технология прокатного производства

Прокатка заключается в пластической деформации металла в результате обжатия заготовки 2 между двумя вращающимися валками 7 (рис. 5, а).

виды обработки металлов давлением

Рис. 5. Схемы основных видов обработки металлов давлением: а – прокатка; б – прессование; в – волочение; г – свободная ковка; д – объемная штамповка; е – листовая штамповка

Наиболее общая схема технологического процесса прокатки включает:

  1. подготовку исходного материала к прокатке;
  2. нагрев металла перед прокаткой;
  3. собственно прокатку;
  4. отделку и контроль качества проката.

Исходным продуктом для прокатки могут служить квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, прессованные плиты или кованые заготовки. Процесс прокатки осуществляется как в холодном, так и горячем состоянии. Начинается в горячем состоянии и проводится до определенной толщины заготовки. Тонкостенные изделия в окончательной форме получают, как правило, в холодном виде (с уменьшением сечения увеличивается теплоотдача, поэтому горячая обработка затруднена).

При прокатке силы трения Pтр втягивают заготовку между валками, и под действием сил Р, нормальных к поверхности валков, уменьшается толщина заготовки. Цель прокатки – получение продукции разнообразной формы и различными размерами поперечного сечения. Форму поперечного сечения прокатанной продукции называют профилем. Перечень разных профилей, имеющих различные геометрические размеры, составляет сортамент проката.

Сортамент прокатываемых профилей разделяют на пять основных групп: сортовой прокат, листовой, трубный, специальный и периодический (рис. 6).

профили проката

Рис. 6. Основные профили проката: а – простой профиль; б – фасонный профиль; в – специальный прокат; г – периодический профиль; д – периодический профиль – арматурная сталь

1. Сортовой прокат в свою очередь делят на две подгруппы.

Простые профили (профили простой геометрической формы) – шестигранник, квадрат, круг, полоса, треугольник, овал, полукруг, сегмент и др. (см. рис. 6, а). Для шестигранника и квадрата стандартизируется диаметр вписанной окружности (у квадрата его сторона равна диаметру вписанной окружности), для треугольника – размер стороны, для круга – диаметр, для полосы – ширина и толщина.

Кроме того, для простого профиля стандартизируется масса 1 м длины профиля. Круглая, квадратная и шестигранная стали имеют размер диаметра вписанного круга от 5–250 мм, полосовая сталь – ширину 12–300 мм и толщину 3–80 мм. Квадратные и шестигранные бронзовые прутки имеют диаметр вписанной окружности от 5–6 до 11– 17 мм. Простой профиль обычно идет либо на дальнейшую обработку давлением (ковку, штамповку), либо на механическую обработку.

Фасонные профили (профили сложной геометрической формы): угловой профиль (неравнобокий и равнобокий), швеллеры, тавровые и двутавровые балки, рельсы, зетовая и колонная стали и др. (см. рис. 6, б). Размеры фасонного профиля стандартизированы и определяются его номером. Номером профиля угловой стали равнобокой является размер ее стороны в миллиметрах, деленный на 10; он изменяется от № 2 (размер стороны 20 мм) до № 20 (размер стороны 200 мм).

Для угловой стали неравнобокой номер профиля определяется размерами обеих сторон в миллиметрах, деленными на 10; номер изменяется от № 2,5/1,6 (размер одной стороны 25 мм, другой – 16 мм) до № 18/10 (180/100 мм).

Номера профилей швеллера, тавровой и двутавровой балок соответствуют их высоте в миллиметрах, деленной на 10. Номер профилей у стального швеллера изменяется от № 5 (высота 50 мм) до № 40 (высота 400 мм), у двутавровой стали от № 10 (высота 100 мм) до № 40 (высота 400). Кроме того, у фасонного профиля стандартизируется размер основания, толщина стенки, площадь поперечного сечения, масса 1 м длины профиля.

2. Листовой прокат делится на толстолистовой (толщина h > 4 мм), тонколистовой (h < 4 мм) и фольгу (h < 0,2 мм). Листовая сталь, кроме того, делится на электротехническую (толщина 0,1– 1,0 мм, ширина 500–1000 мм, у холоднокатаной ширина 1100 мм и длина 600–2000 мм), судостроительную, котельную, автотракторную, для цельнометаллических вагонов (h = 2–3 мм), кровельную (h = 0,38–0,82 мм, ширина 710 мм и длина 1420 мм) и др., а также листовую сталь с оловянным, цинковым, медным, алюминиевым и полимерным покрытием.

3. Трубный прокат наиболее широко используют для водо-, нефте- и газопроводов. Трубы бывают сварные и бесшовные. Трубы сварные производят из углеродистых и низколегированных сталей с наружным диаметром 5–2500 мм и толщиной стенки 0,5–16 мм. Трубы бесшовные (цельнотянутые) прокатывают из углеродистых и легированных сталей с наружным диаметром 30–650 мм и толщиной стенки 0,2–16 мм.

4. Специальный прокат включает в себя цельнокатаные дисковые вагонные колеса, шестерни, шары и другие детали относительно сложного профиля (см. рис. 6, в).

5. Периодический прокат – это прокат с периодически изменяющимся профилем вдоль оси заготовки (см. рис. 4, г). Его используют в качестве заготовки для последующей штамповки или механической обработки, а также в качестве арматуры железобетонных конструкций (см. рис. 6, д). Периодический прокат часто рассматривают как специальный прокат. Существуют сортаменты вышерассмотренных прокатываемых профилей из цветных металлов и сплавов на их основе. Обычно из них производят сортовой прокат простого профиля, листовой прокат и трубный.

Метизы. Существует большая группа металлических изделий, называемых метизами, к которым относятся заклепки, болты, гайки, винты, шайбы, шплинты, шурупы, гвозди и другие изделия.

Основное их назначение – крепление деталей. Метизы изготавливают из углеродистых сталей, в том числе с гальваническим покрытием из кадмия, цинка и др., а также из цветных металлов и сплавов на их основе, когда требуется высокая электропроводность или отсутствие ферромагнитных свойств.

В практике ОМД применяют следующие скорости деформации: на прессах и ковочных машинах – 0,1–0,5 м/с; на молотах – 5–10 м/с; на прокатных станах – 0,1–35 м/с.

5.2. Прессование

Прессование – способ обработки металлов давлением, при котором металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие инструмента, называемого матрицей, в результате чего получают изделие с сечением по форме отверстия матрицы. Чем выше температура металла, тем легче протекает процесс прессования. Этим методом получают прутки, трубы и другие изделия более сложных профилей (рис. 7).

профили, получаемые прессованием

Рис. 7. Примеры профилей, получаемых прессованием

При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию, благодаря чему имеет высокую пластичность. Коэффициент, характеризующий степень деформации и определяемый как отношение площади сечения заготовки к площади сечения прессуемого профиля, при прессовании составляет 10–50.

Существует два способа прессования: прямой и обратный.

При прямом прессовании (рис. 8, а) заготовку 1 помещают в контейнер 4, укрепленный на раме 5 пресса, в отверстие которой устанавливают матрицу.

При обратном прессовании (рис. 8, в) заготовка 3 помещается в глухой контейнер 4 и при прессовании остается неподвижной, а деформируемый металл при движении матрицы 6 перемещается навстречу ей.

Обратное прессование требует меньших усилий, и остаток металла (пресс-остаток) от прессуемой заготовки меньше, чем при прямом, но техническое выполнение процесса для длинных заготовок проще при прямом прессовании.

Основными причинами образования пресс-остатка являются ускоренное охлаждение поверхности заготовки за счет ее контакта с контейнером и наклеп поверхностных слоев в связи с трением о стенки контейнера. Так как при прямом прессовании перемещение поверхностных слоев заготовки больше, чем при обратном прессовании, то, соответственно, и усилие прессования, неравномерность деформации и пресс-остаток также будут больше.

Схемы прямого прессования

Рис. 8. Схемы прямого прессования сплошного (а) и полого (б) профилей и обратного прессования сплошного (в) и полого (г) профилей

Для прессования труб и полых профилей в заготовке необходимо предварительно получить сквозное отверстие, которое в большинстве случаев прошивают на том же прессе.

В процессе прессования (рис. 8, б, г) металл заготовки 3 выдавливается пуансоном 1 в зазор между матрицей 6 и иглой 7.

Инструмент при прессовании работает в очень тяжелых условиях, при высоких давлениях и температурах. Износ его уменьшают применением смазочных материалов, которые снижают коэффициент трения на поверхности контакта матрицы и деформируемого металла. В качестве смазки применяют графит, дисульфид молибдена и специальные виды жидкого стекла.

Применение жидкого стекла при прессовании труб позволяет уменьшить трение и увеличить скорость выдавливания, предохраняя в то же время инструмент от перегрева.

Заготовкой при прессовании служит слиток или прокат.

Большое влияние на качество поверхности и точность прессованных профилей оказывает состояние поверхности заготовки. Поэтому заготовку чаще всего предварительно обтачивают на станке, а после нагрева ее поверхность тщательно очищают от окалины.

К недостаткам прессования следует отнести значительные отходы, так как весь металл заготовки не может быть выдавлен из контейнера через отверстие матрицы, и в нем остается так называемый пресс-остаток, который после окончания прессования отрезается от полученного профиля.

При прессовании труб большого диаметра масса пресс-остатка может достигать 40 % массы исходной заготовки.

Прессованием получают изделия разнообразного сортамента из цветных металлов (Си, Pb, Al, Zn, Mg и др.) и их сплавов: прутки диаметром 3–250 мм, трубы диаметром 20–400 мм со стенкой толщиной 1,5…12 мм и другие профили (см. рис. 5).

Из углеродистых сталей 20, 30, 40, 50, конструкционных 30ХГСА, 40ХН, коррозионностойких 12Х18Н10Т и других высоколегированных сталей прессуют трубы с внутренним диаметром 10– 160 мм со стенкой толщиной 2–10 мм, профили с полкой толщиной 2–2,5 мм и линейными размерами поперечных сечений до 200 мм.

5.3. Прокатка

Прокаткой называют вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется вращающимися гладкими или имеющими соответствующие канавки (ручьи) валками.

Взаимное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различными. При этом получают прокат – готовые изделия или заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, прессованием, волочением или резанием. В прокат перерабатывают до 80 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов и сплавов, его используют в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности.

Существует три основных вида прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (косая).

При продольной прокатке (рис. 9, I) заготовка 2 деформируется между гладкими или имеющими калибры валками 7, вращающимися в противоположные стороны, и перемещается перпендикулярно к осям валков.

Основные виды прокатки

Основные виды прокатки

Рис. 9. Основные виды прокатки: I – продольная прокатка (а – в гладких валках; б – в калибрах); II – поперечная прокатка; III – поперечно-винтовая (косая) прокатка (а – в гладких валках; б – в спиральных валках; в – винтовая (косая) прокатка труб)

При поперечной прокатке (рис. 9, II) валки вращаются в одном направлении, оси их параллельны, а заготовка 2 деформируется ими, вращаясь вокруг своей оси.

Во время прокатки заготовка непрерывно втягивается в зазор между валками под действием сил трения между ними и поверхностью заготовки.

Для осуществления процесса прокатки необходима определенная величина сил трения. Так, во время продольной прокатки заготовка находится под действием двух основных сил: трения Т и нормальной N, действующей со стороны валков. Спроецировав эти силы на горизонтальную ось, можно записать условие захвата металла: при холодной прокатке в шлифованных валках угол захвата равен 3–4°, а в валках с грубой поверхностью – 5–8°. При горячей прокатке в гладких валках угол захвата достигает 15–22°, а при прокатке в валках с насечкой – 27–34°.

Оборудование. Прокатные станы

Прокатным станом называется технологический комплекс последовательно расположенных машин и агрегатов, предназначенных для пластической деформации металла в валках (собственно прокатки), дальнейшей его обработки и отделки (правки, обрезки кромок, резки на мерные изделия и пр.) и транспортировки.

На практике прокатным станом часто называют оборудование, непосредственно связанное с деформацией прокатываемого металла в валках.

На рис. 10 представлена общая кинематическая схема такого стана.

В рабочей клети 1 в подушках с подшипниками расположены валки 2, вращательное движение на которые передается от главного электродвигателя 7 через редуктор 6, муфты 5, шестеренную клеть 4 и шпиндели 3.

В зависимости от конструкции и расположения валков рабочие клети прокатных станов подразделяют на шесть групп (рис. 11): дуо, трио, кварто, многовалковые, универсальные и специальной конструкции.

Клети дуо (двухвалковые) бывают реверсивные (прокатка ведется в обе стороны) и нереверсивные (прокатка ведется в одну сторону).

Клети трио (трехвалковые) чаще всего нереверсивные. Прокатка на таких станах ведется вперед между нижним и средним валком и назад между верхним и средним.

Кинематическая схема прокатного стана

Рис. 10. Кинематическая схема прокатного стана

Классификация рабочих клетей

Рис. 11. Классификация рабочих клетей: а – дуо; б – трио сортовые; в – трио листовые; г – кварто листовые; д – кварто для прокатки рулонов; е – многовалковая (шестивалковая); ж – многовалковая (двадцативалковая); з – универсальная; и – специальная (колеснопрокатная)

Различают клети трио сортовые, все валки которых приводные, имеющие одинаковый диаметр, и листовые, у которых средний валок меньшего диаметра и является холостым: при прокатке он прижимается то к верхнему, то к нижнему валку, за счет чего и получает вращение.

Клети кварто (четырехвалковые) имеют четыре валка, расположенные друг над другом, из них два рабочих валка меньшего диаметра и два опорных – большего диаметра.

Различают клети кварто листовые, применяемые для прокатки толстых листов, полос и броневых плит, и клети кварто для прокатки рулонов. Последние применяются в станах холодной и горячей прокатки тонких листов, лент, полос, причем перед клетью может устанавливаться разматыватель рулонов, а сзади – моталка, создающая натяжение полосы.

Многовалковые клети имеют пять и более валков. На рис. 11, е, ж изображены схемы шести- и двадцативалковой клетей. Благодаря жесткости и относительно малому прогибу опорных валков на этих клетях производится холодная прокатка тонких полос и узких лент с малым допуском по толщине.

Непрерывные станы имеют очень большую производительность. Они применяются как заготовочные, широкополосные, мелкосортовые, проволочные, трубосварочные станы и станы холодной рулонной прокатки листов и жести.

В зависимости от назначения прокатные станы можно подразделять на следующие группы:

  • станы горячей прокатки – обжимные, заготовочные, рельсобалочные, крупносортовые, среднесортовые, мелкосортовые, проволочные, толстолистовые, среднелистовые, тонколистовые, непрерывные листовые (широкополосные) и штрипсовые (выпускающие штрипс-заготовку для труб в виде полосы шириной до 300 мм);
  • станы холодной прокатки – листовые, жестепрокатные и станы прокатки тонкой и тончайшей полосы;
  • станы специального назначения – колесопрокатные, шаропрокатные, бандажепрокатные, для проката полос и профилей переменного сечения и др.

Основным параметром обжимных и сортовых станов продольной прокатки обычно является диаметр валков; листовых станов – длина бочек валка, которая определяет максимальную ширину прокатываемых листов и полос; трубных и специальных станов – максимальный размер прокатываемого на стане изделия.

Непрерывные станы имеют очень большую производительность. Они применяются как заготовочные, широкополосные, мелкосортовые, проволочные, трубосварочные станы и станы холодной рулонной прокатки листов и жести.

Инструментом для прокатки служат валки, которые состоят из бочки, являющейся рабочей частью, шеек и треф.

Трефа – приводной конец валка, входящий во втулку шпинделя для передачи вращательного движения валкам.

Листовую сталь и ленту прокатывают в гладких цилиндрических, полосовую – в ступенчатых и сортовую сталь – в ручьевых валках. Углубления-ручьи в паре валков образуют калибр. Пара валков обычно имеет несколько калибров. Калибры бывают открытыми и закрытыми.

Валки для прокатки изготавливают из заготовок, полученных литьем из отбеленного чугуна или выкованных из углеродистой и легированной стали с последующей механической обработкой.

После соответствующей термообработки поверхность валка может иметь твердость от 200 до 800 НВ.

6. Ковка

Ковка – один из способов обработки металлов давлением, при котором инструмент оказывает многократное воздействие на нагретую заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданные форму и размеры.

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.

Мелкие поковки массой менее 50 кг и средние массой 50–400 кг в единичном и мелкосерийном производствах выполняют ковкой, поскольку их изготовление штамповкой экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости и длительности изготовления штампов. Для изготовления поковок используют слитки, блюмы и сортовой прокат.

Различают ковку ручную, применяемую иногда при мелких ремонтных работах и выполняемую с помощью наковальни и кувалды, и машинную, осуществляемую с помощью молотов и прессов.

Также различают ковку свободную и в штампах (штамповка). При свободной ковке (см. рис. 12) заготовка не ограничивается стенками специальных форм (штампов), и формообразование происходит свободно в пространстве между бойками молота 1 путем пластической деформации металла заготовки 2.

Схема обработки металлов давлением способом свободной ковки

Рис. 12. Схема обработки металлов давлением способом свободной ковки

Этот процесс и качество поковки во многом зависят от искусства оператора-кузнеца.

6.1. Операции машинной ковки

К основным операциям машинной ковки относятся осадка, протяжка, прошивка, гибка, сварка, скручивание, отрубка и раскатка (рис. 13–16).

Осадка – уменьшение высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения.

Осадку производят бойками или осадочными плитами. Заготовки, у которых отношение высоты к диаметру более 2,5, осаживать не рекомендуется во избежание возможного продольного искривления.

Осадка части заготовки называется высадкой.

Течение металла при деформировании сопровождается скольжением его частиц по поверхности инструмента. В результате между инструментом и заготовкой возникают напряжения контактного трения, направление которых противоположно течению металла. Наличие трения вызывает увеличение усилия деформирования, повышает износ инструмента, является причиной неоднородной деформации (рис. 13, а).

Протяжка – 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. Сумма определенного числа обжатий, осуществляемых последовательно до определенной толщины заготовки, называется проходом (рис. 13, б).

Схема основных операций машинной ковки

Рис. 13. Схема основных операций машинной ковки: а – осадка; б – протяжка

Два последовательных обжатия с промежуточной кантовкой (поворотом) между ними на 90° называется переходом.

Прошивка – получение полостей в заготовке за счет вытеснения материала. Инструмент для прошивки называется прошивень. Она может являться как самостоятельной операцией для образования отверстия, так и подготовительной операцией для последующей раскатки или протяжки заготовки на оправке (рис. 14).

Схема машинной ковки прошивкой

Рис. 14. Схема машинной ковки прошивкой

Отверстия диаметром до 500 мм пробивают сплошным прошивнем с применением подкладного кольца, а отверстия большего диаметра – полым прошивнем, применяя надставки в случае высокой заготовки.

Часть металла, удаляемую в отход, называют выдрой.

Сварка – создание неразъемного соединения путем совместного пластического деформирования предварительно нагретых заготовок (рис. 15, а).

Схема основных операций машинной ковки

Рис. 15. Схема основных операций машинной ковки: а – сварка; б – скручивание

Скручивание – поворот части заготовки вокруг продольной оси. Осуществляют ее с помощью крана, например, при развороте колен коленчатых валов (рис. 15, б).

Отрубка – полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента. Отрубку топорами осуществляют для удаления прибыльной и донной частей слитка, лишних концов поковки или для разделения длинной поковки на более короткие части (рис. 16, а).

Схема основных операций машинной ковки

Рис. 16. Схема основных операций машинной ковки: а – отрубка; б – раскатка

Раскатка – увеличение диаметра кольцевой заготовки 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 (рис. 16, б).

6.2. Оборудование для ковки

Ковку выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.

Одним из основных типов молотов для ковки являются паровоздушные молоты. Такие молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7–0,9 МПа. В зависимости от конструкции станины паровоздушные ковочные молоты бывают арочные (рис. 17), мостовые и одностоечные.

Схема паровоздушного молота арочного типа

Рис. 17. Схема паровоздушного молота арочного типа

На станине 4 арочного молота (рис. 17) смонтирован рабочий цилиндр 1 с парораспределительным устройством 2. При нажатии педали или рукоятки управления сжатый пар или воздух по каналу 12 поступает в верхнюю полость цилиндра 1 и давит на поршень 2, соединенный штоком 3 с бабой 5, к которой прикреплен верхний боек 6. В результате падающие части 2, 3, 5 и 6 перемещаются вниз и наносят удары по заготовке, уложенной на нижний боек 7, неподвижно закрепленный на массивном шаботе 8. При подаче сжатого пара по каналу 10 в нижнюю полость цилиндра 11 падающие части поднимаются в верхнее положение. Перемещение бабы 5 происходит в направляющих 9. В ковочных молотах станина 4 и шабот 8 закреплены на фундаменте по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать заготовками и кузнечным инструментом, необходимо иметь доступ к бойкам со всех сторон.

Молоты могут совершать удары с разной энергией, зажимать поковки между бойками и удерживать бабу на весу. Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей 1000–8000 кг. На этих молотах изготовляют поковки средней массы (20–350 кг), преимущественно из прокатанных заготовок.

7. Штамповка

Штамповка – это способ изготовления изделий давлением с помощью специального инструмента (штампов), рабочая полость которых определяет конфигурацию конечной штамповки (изделия). Штамповки по своим размерам, точности, допускам и припускам значительно лучше аналогичных деталей, изготавливаемых свободной ковкой. Штампованные заготовки значительно приближены по форме и размерам к готовой детали.

Штамповка делится на объемную (рис. 18) и листовую (рис. 19). Она осуществляется с помощью инструментов, называемых штампами. При объемной штамповке заготовка приобретает необходимую форму в результате воздействия на нее штампа, состоящего из двух половин.

Типы штампов при объемной штамповке

Рис. 18. Типы штампов при объемной штамповке: а – открытый; б – закрытый; а – штамп для выдавливания; 1 – верхний (подвижный) штамп, по схеме в и б – пуансон; 2 – стенка ручья; 3 – облой (заусенец); 4 – штамповка; 5 – нижний (неподвижный) штамп; 6 – выталкиватель

Прокатное производство обеспечивает выход годного (коэффициент использования слитка после удаления прибыльной и донной частей) на уровне 91–96 % при производстве сортового проката (прутки, рельсы, уголки и пр.), 62,5–80,6 % при производстве листа, 84,7–95,2 % при производстве труб. При изготовлении деталей машин из сортового проката коэффициент использования металла (КИМ) невысок из-за значительных расходов при резке, а также из-за отличия конструкции готовой детали от формы прутка. Более экономно может быть использован листовой прокат, при изготовлении из него деталей потери металла имеют место в основном на разделительных операциях.

При прямом прессовании выход годного составляет 80–82 %, при обратном – 86–88 %. Применение прессованных стальных заготовок позволяет в 1,5–2 раза, по сравнению с прокатом, увеличить КИМ из-за максимального приближения геометрических размеров профилей к готовым деталям.

Свободная ковка на молотах заготовок из проката обеспечивает выход годного от 67 до 83 %.

Схемы основных операций листовой штамповки

Рис. 19. Схемы основных операций листовой штамповки: а – вырубка; б – гибка; в – вытяжка; г – формовка; 1 – заготовка и изделие; 2 – пуансон; 3 – штамп (матрица)

Горячая объемная штамповка при использовании проката в качестве заготовок обеспечивает выход годного: около 77 % при штамповке на молотах, около 82 % – на прессах и около 90 % – на горизонтально-ковочных машинах.

Методами объемной штамповки изготавливают заготовки сложной конфигурации (шестерни, коленчатые валы, кронштейны, рычаги и другие детали для машиностроения). Для листовой штамповки характерно получение различных корпусных изделий (детали обшивки и корпуса легковых и грузовых автомобилей, гнутые корпусные судостроительные детали, коробчатые изделия сложной конфигурации и др.).

7.1. Горячая объемная штамповка

Сущность процесса горячей объемной штамповки заключается в том, что нагретую до оптимальной температуры заготовку помещают в полость одной из половин штампа, где она при воздействии второй половины приобретает заданную форму. Штамповка в открытых штампах сопровождается образованием облоя (заусенца), поэтому при расчете объем заготовки нужно увеличить относительно объема готовой штамповки на величину облоя. Облой облегчает заполнение штампа металлом и позволяет использовать при штамповке одинаковых деталей заготовки, несколько различающиеся по объему. Для получения облоя в верхнем ручье вытачивается специальная канавка.

В открытых штампах делаются специальные штамповочные уклоны в ручьях для облегчения извлечения готовой штамповки.

Штамповка в закрытых штампах осуществляется без облоев. В этом случае штамп и при наличии уклонов не обеспечивает свободного извлечения штамповки. Поэтому применяется специальное выталкивающее устройство. К безоблойным штампам относятся также прошивные штампы и штампы для выдавливания по типу прессования.

Технологическая схема процесса состоит из следующих операций: разрезки прутков, нагрева заготовки, переноса в полость штампа, штамповки, обрезки заусенца (облоя), термической обработки, осмотра, ремонта дефектов, приемки.

Горячая штамповка характеризуется высокой производительностью и низкой себестоимостью в массовом производстве. К недостаткам относится наличие окалины, а также высокая стоимость штампов.

Механические свойства штамповок превосходят аналогичные показатели кованых деталей, так как в штамповке легче создать усилия, обеспечивающие равномерность структуры и направленность волокон. Вырез на одном штамповом кубике называют ручьем, два кубика в совмещении образуют плоскость штампа. Штампы бывают одно- и многоручьевыми для изготовления штамповки в несколько переходов.

В многоручьевых штампах изготовляют поковки сложной формы (рис. 20). В заготовительных ручьях получают фасонную заготовку – полуфабрикат для штамповки в предварительном (черновом), а затем в окончательном (чистовом) штамповочном ручье.

Рис. 20. Схема технологического процесса горячей объемной штамповки: а – резка заготовки на пресс-ножницах; б – нагрев заготовки; в – осадка заготовок; г – штамповка; д – обрезка облоя и прошивка отверстия; е – очистка от окалины

Технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой (рис. 20) в общем случае состоит из следующих основных операций:

  1. резки проката на мерные заготовки 1 на пресс-ножницах;
  2. нагрева заготовок в электрических или пламенных печах;
  3. осадки заготовки 2, штамповки в штампе 3;
  4. обрезки облоя (заусенца) и прошивки отверстия;
  5. термообработки и очистки поверхности от окалины в дробеметном барабане 4.

В зависимости от типа штампов различают следующие способы горячей объемной штамповки: 1) в открытых штампах; 2) в закрытых штампах; 3) штамповка выдавливанием; 4) штамповка прошивкой; 5) штамповка в разъемных матрицах.

Виды объемной штамповки

Рис. 21. Виды объемной штамповки: а – в открытых штампах (облойная); б – в закрытых штампах (безоблойная)

7.2. Штамповка в открытых штампах

Штамповка в открытых штампах отличается тем, что полость штампа в процессе деформирования заготовки остается открытой (рис. 21) и штамповка сопровождается образованием облоя вокруг поковки.

Процесс штамповки можно разделить на следующие стадии (рис. 22):

  1. начальная – заготовка 2 подвергается осадке между верхней и нижней частями штампа;
  2. вторая – металл одновременно течет в полость штампа и в заусенечную канавку;
  3. третья – облой блокирует по периметру полость штампа, и металл заполняет все полости штампа;
  4. четвертая – доштамповка, т. е. вытеснение металла из полости штампа в облой.

Преимущество заключается в том, что при штамповке в открытом штампе облой выполняет двойную технологическую функцию: вопервых, на определенном этапе он блокирует течение металла из полости штампа, заставляя металл заполнять ее; во-вторых, компенсирует погрешность отрезки заготовки, что позволяет применять дешевые, высокопроизводительные способы их отрезки на пресс-ножницах.

Схема заполнения полости штампа металлом

Рис. 22. Схема заполнения полости штампа металлом: а – начальная стадия; б – стадия осадки; в – одновременное течение металла в полость штампа и облой; г – заполнение углов; д – доштамповка

К недостаткам относится бразование облоя, которое приводит к потерям металла до 20–25 % от объема заготовки и необходимости дополнительной операции – обрезки облоя в специальных обрезных штампах на обрезных прессах.

Несмотря на указанные недостатки, штамповка в открытых штампах в настоящее время является наиболее распространенной.

7.3. Штамповка в закрытых штампах

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что в процессе формообразования поковки весь объем металла заготовки заполняет полость штампа без образования облоя.

Конструкция штампа (рис. 23) не предусматривает заусенечную канавку, а зазор z между верхней (пуансоном 1) и нижней (матрицей 2) частями штампа обеспечивает только их взаимное перемещение.

Для удаления поковки 3 из штампа применяется выталкиватель 4. Преимущество: штамповка в закрытых штампах позволяет экономить металл и, кроме того, не требует специального оборудования, штампов и рабочей силы для обрезки облоя.

Недостаток: заготовки должны иметь небольшой допуск по массе.

Схема объемной штамповки в закрытом штампе

Рис. 23. Схема объемной штамповки в закрытом штампе

8. Листовая штамповка

8.1 Общие сведения

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок незначительно отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластичности.

Существует две разновидности листовой штамповки – холодная и горячая.

В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при холодной штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях – более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штамповка), что позволяет значительно уменьшить усилие деформирования по сравнению с холодной штамповкой. Холодная листовая штамповка получила более широкое применение, чем горячая.

При листовой штамповке чаще всего используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60 % Cu, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др. Листовой штамповкой получают плоские и пространственные детали из листовых неметаллических материалов, таких как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит, гетинакс и др.

Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность и др.

К преимуществам листовой штамповки относятся:

  • возможность получения деталей минимальной массы при заданных их прочности и жесткости;
  • достаточно высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить отделочные операции обработки резанием;
  • сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30–40 тыс. деталей в смену с одной машины);
  • хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

Рассмотрим основные разделительные и формоизменяющие операции листовой штамповки.

Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах и в штампах. Отрезку чаще применяют как заготовительную операцию для разделения листа на полосы заданной ширины. Основные типы ножниц – это ножницы с поступательным движением режущих кромок ножа (рис. 23, а) и вращательным движением режущих кромок – дисковые ножницы (рис. 24, б).

Схемы действия гильотинных и дисковых ножниц

Рис. 24. Схемы действия гильотинных (а) и дисковых (б) ножниц

При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали (или заготовки для последующего деформирования), а пробивкой – внутренний контур (изготовление отверстий).

Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическими пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает часть заготовки в отверстие матрицы. В начальной стадии деформирования происходят врезание режущих кромок в заготовку и смещение одной части заготовки относительно другой без видимого разрушения (рис. 25, а).

Последовательность деформирования при вырубке

Рис. 25. Последовательность деформирования при вырубке (а) и характер среза при нормальном (б) и при малом (в) зазорах: 1 – матрица; 2 – пуансон

При определенной глубине внедрения режущих кромок в заготовку (возрастающей с увеличением пластичности металла) у режущих кромок зарождаются трещины, быстро проникающие в толщу заготовки. Эти трещины наклонены к оси инструмента под углом 4–6°; если эти трещины встречаются, то поверхность среза получается сравнительно ровной (рис. 25, б), состоящей из блестящего пояска, образующегося от внедрения режущих кромок до появления трещин, и наклонной шероховатой поверхности разрушения в зоне прохождения трещин.

Возможность совпадения трещин, идущих от режущих кромок пуансона и матрицы, зависит от правильного выбора зазора между пуансоном и матрицей. Зазор z назначают в зависимости от толщины и механических свойств заготовки, он приближенно составляет (0,05–0,1)S. При малом зазоре трещины не встречаются, и на поверхности среза появляются пояски вторичного среза (рис. 25, в), ухудшающие ее качество и способствующие разрушению заготовки при последующем деформировании и работе детали.

Гибка – образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы. Это операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров. Гибку осуществляют с помощью различных опор, приспособлений и в подкладных штампах (рис. 26).

Операция гибки

Рис. 26. Операция гибки

В процессе гибки пластическая деформация сосредоточивается на узком участке, контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие полки детали, деформируются упруго. В зоне пластической деформации наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные к пуансону) сжимаются. У середины заготовки (по толщине) находятся слои, деформация которых равна нулю. Из сказанного следует, что с достаточной степенью точности размеры заготовки для детали, получаемой гибкой, можно определять по условию равенства длин заготовки и детали по средней линии.

Вытяжка без утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вытягиваемой заготовки (рис. 27).

Согласно рис. 27, исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы. Пуансон надавливает на центральную часть заготовки и смещает ее в отверстие матрицы. Центральная часть заготовки тянет за собой периферийную часть (фланец) заготовки, и последняя, смещаясь в матрицу, образует стенки вытянутого изделия.

Схема первого перехода вытяжки

Рис. 27. Схема первого перехода вытяжки: 1 – заготовка; 2 – изделие; 3 – прижим; 4 – пуансон; 5 – матрица

Вытяжка с утонением стенки увеличивает длину полой заготовки в основном за счет уменьшения толщины стенок исходной заготовки (рис. 27, в). При вытяжке с утонением стенки зазор между пуансоном и матрицей должен быть меньше толщины стенки, которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. Вытяжку с утонением стенки применяют для получения деталей с толщиной донышка, большей толщины стенок; деталей со стенкой, толщина которой уменьшается к краю (в этом случае пуансон выполняют коническим); тонкостенных деталей, получение которых вытяжкой без утонения стенки затруднительно в связи с опасностью складкообразования (рис. 27).

Удельные усилия на контактных поверхностях при вытяжке с утонением стенки значительно больше, чем при вытяжке без утонения стенки. Так как при вытяжке с утонением стенки заготовка скользит по матрице в направлении движения пуансона и по пуансону в обратном направлении (от торца пуансона), то и силы трения на наружной и внутренней поверхностях заготовки направлены в противоположные стороны. Это обстоятельство увеличивает допустимую степень деформации (силы трения по матрице увеличивают растягивающие напряжения в стенках протянутой части заготовки, а по пуансону – уменьшают).

При вытяжке с утонением стенки ее толщина за один переход может быть уменьшена в 1,5–2 раза. Размеры заготовки для получения деталей вытяжкой с утонением стенки определяют из условия равенства объемов заготовки и детали, принимая при этом, что толщина донышка не изменяется.

Отбортовка – получение бортов (горловин) путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу (рис. 28). При отбортовке кольцевые элементы в очаге деформации растягиваются, причем больше всего увеличивается диаметр кольцевого элемента, граничащего с отверстием.

Схема отбортовки

Рис. 28. Схема отбортовки

Допустимое без разрушения (без образования продольных трещин) увеличение диаметра отверстия при отбортовке составляет dб/d0 = 1,2–1,8 в зависимости от механических свойств материала заготовки, а также от ее относительной толщины S/d0. Разрушению заготовки способствует наклепанный слой у кромки отверстия, образующийся при пробивке. Большее увеличение диаметра можно получить, если заготовку отжечь перед отбортовкой или изготовить отверстие обработкой резанием (сверление с развертыванием), создающим меньшее упрочнение у края отверстия.

Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся полость матрицы (рис. 29). Обжимаемая заготовка получает форму рабочей полости матрицы.

Обжим

Рис. 29. Обжим

Допустимое уменьшение диаметра при обжиме ограничивается появлением продольных складок в обжимаемой части заготовки или поперечных кольцевых складок в ее недеформируемой части. Обычно за один переход можно получить dизд = (0,7–0,8)Dзаг. Если диаметр краевой части необходимо уменьшить на большую величину, заготовку обжимают за несколько переходов. Толщина заготовки в очаге пластических деформаций увеличивается, причем больше утолщается краевая часть заготовки.

Формовка – операция, при которой изменяется форма заготовки в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина заготовки в этих участках уменьшается. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра (рис. 30).

Схема формовки ребер жесткости и формовки с раздачей

Рис. 30. Схема формовки ребер жесткости (а) и формовки с раздачей (б)

8.2. Оборудование для листовой штамповки Кривошипные прессы

При листовой штамповке наиболее применимы кривошипные прессы, которые разделяют на прессы простого и двойного действия.

Однокривошипные открытые наклоняемые прессы простого действия (рис. 31) выпускаются с усилием 63–1600 кН с 45 до 250 ходов ползуна в минуту.

Кривошипные прессы называются открытыми, если имеется свободный доступ к штамповому пространству спереди и с боков станины. Но такие прессы отличаются сравнительно низкой жесткостью. Это существенный недостаток открытых прессов.

Основными составными частями кривошипного пресса являются: станина, привод, главный вал, маховик, муфта, тормоз, ползун с шатуном, командоаппарат, механизм наклона станины (у наклоняемых прессов).

Изучаемый открытый однокривошипный двухстоечный пресс простого действия модели К2322 с усилием 160 кН относится к универсальным прессам и предназначается для выполнения операций холоднолистовой штамповки: вырезки, вырубки, просечки, гибки, неглубокой вытяжки, отбортовки и др.

Кинематическая схема кривошипного пресса простого действия аналогична схеме кривошипного пресса для объемной штамповки. Пресс двойного действия для штамповки средне- и крупногабаритных деталей имеет два ползуна: внутренний (и к нему крепят пуансон) и наружный (приводит в действие прижим). Внутренний ползун, как у обычного кривошипного пресса, получает возвратнопоступательное движение от коленчатого вала через шатун.

Наружный ползун получает движение от кулачков, закрепленных на коленчатом валу, или системы рычагов, связанных с коленчатым валом. Кинематическая схема пресса такова, что наружный ползун обгоняет внутренний, прижимает фланец заготовки к матрице и остается неподвижным в процессе деформирования заготовки пуансоном, перемещающимся с внутренним ползуном. После окончания штамповки оба ползуна поднимаются.

Однокривошипный пресс простого действия

Рис. 31. Однокривошипный пресс простого действия: 1 – станина; 2 – стойки; 3 – ползун; 4 – направляющие ползуна; 5 – шатун; 6 – коленчатый вал; 7 – маховик; 8 – автомат включения; 9 – электродвигатель; 10 – педальное управление; 11 – двухкнопочное управление; 12 – клиноременная передача; 13 – подмоторная плита; 14 – винт

Кроме кривошипных прессов, для листовой штамповки применяют гидравлические прессы (штамповка резиной, штамповка крупногабаритных толстостенных деталей).

Гидравлические прессы

Гидравлические прессы – машины статического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением силы, создаваемой с помощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса. В ковочные гидравлические прессы выпускают с усилием 5–100 МН для изготовления крупных поковок в основном из слитков.

Действие гидравлического пресса основано на законе Паскаля, по которому внешнее давление на жидкость передается равномерно во все стороны замкнутой системы.

Если взять два сообщающихся цилиндрических сосуда разных диаметров, закрытых поршнями (рис. 32, а), и приложить к одному из них внешнее усилие, то в системе возникнет давление, зависящее от площади поршня.

Принцип действия гидравлического пресса

Рис. 32. Принцип действия гидравлического пресса: а – принцип действия; б – схема гидропрессовой установки

Жидкость под давлением будет действовать на поршень и создаст усилие.

На этом принципе основано действие всех гидравлических прессов, в которых плунжер насоса (рис. 32, б) имеет значительно меньшую площадь плунжера (цилиндра) пресса. Изменяя соотношение площадей, можно практически беспредельно увеличивать усилие пресса.

Основные характеристики гидравлических прессов – номинальное усилие, равное произведению давления жидкости в рабочем цилиндре пресса на площадь (или сумму площадей) плунжера, и величина хода плунжера.

В замкнутой гидравлической системе (рис. 32, а) перемещение одного плунжера вызывает перемещение другого плунжера. Так как жидкость считается несжимаемой, то объем жидкости, вытесненной малым плунжером, равен объему, который возникает в результате перемещения плунжера. Следовательно, ход плунжера будет во столько раз меньше хода, во сколько усилие меньше площади поршня. Таким образом, в гидравлическом прессе, выигрывая в силе, во столько же раз проигрываем в пути.

Диаметр плунжера насоса во много раз меньше диаметра плунжера пресса, и, следовательно, за один ход плунжера насоса плунжер пресса переместится на долю миллиметра, что явно недостаточно для совершения работы. Поэтому в системе пресс-насос ставят специальный клапан, который позволяет жидкости двигаться только в одном направлении (к цилиндру пресса). Насос обычно имеет большое число ходов плунжера в единицу времени, и за счет этого плунжер пресса перемещается на определенную величину и деформирует заготовку.

Вся гидропрессовая установка состоит из пресса I, привода IV, органов управления III и трубопроводов II (рис. 33). Основные элементы гидравлического пресса следующие: станина 1, которая воспринимает усилия; рабочий цилиндр 2, в который подается жидкость под давлением; плунжер 3, воспринимающий это давление и передающий усилие через инструмент 4 на заготовку 5. Для осуществления обратного хода в гидравлических прессах предусмотрены возвратные цилиндры 6.

Гидропрессовая установка с приводом

Рис. 33. Гидропрессовая установка с приводом

Приводом гидравлических прессов называется система, обеспечивающая повышение давления жидкости и ее аккумулирование. Наиболее распространенный привод листоштамповочных прессов – насосный, в котором жидкость подается насосом и затем поступает в полость рабочего цилиндра пресса. Давление жидкости принимается равным 20, 32 и 45 МПа.

Коэффициент полезного действия насосного привода µ = 0,6–0,8. Этот привод широко применяется по сравнению с другими видами гидравлических приводов вследствие своих небольших размеров.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.