ГЛАВА 5

ОБРАБОТВАНЕ НА МЕТАЛИТЕ ЧРЕЗ ПЛАСТИЧНА ДЕФОРМАЦИЯ



Обработването на металите чрез пластична деформация представлява съвкупност от методи и процеси за механично обработване на метални заготовки или детайли без отнемане на материал. Тази съвкупност се подразделя най-общо на три групи, всяка от които включва методи за обработване чрез:

- обемно пластично деформиране, характеризиращо се, че формо- и размерообразуването се извършва в горещо или
  студено състояние на материала. Най-разпространени, от тези методи, са коването, щамповането, валцуването,
  пресуването и изтеглянето през матрица;
- щанцоване, характеризиращо се с това, че формо- и размерообразуването се извършва в студено състояние без
  съществено обемно формоизменение на детайла. Най-разпространени, от тези методи, огъването, дълбокото изтегляне,
  отрязване, изрязване и пробиване;
- пластично деформиране на повърхностния слой на материала.


5.1. Основни понятия

При натоварване на твърдите тела с външни сили положението на изграждащите ги материални частици се изменя, което се изразява външно с промяна на формата и размерите на телата. Този процес на изменение на формата се нарича деформиране, а резултатът от него - деформация. За да се измени положението на материалните частици на телата, трябва да се преодолее съпротивлението на предварителната заготовка. Това се осъществява под действие на вътрешните усилия, възникнали в телата при натоварването им с външни сили. Интензивността на вътрешните усилия се характеризира с напреженията, породени от тях. Прието е опъновите главни нормални напрежения да се приемат за положителни. Натисковите главни нормални напрежения се приемат за отрицателни. В зависимост от броя на действащите върху материалната точка главни нормални напрежения, напрегнатото състояние може да бъде линейно, равнинно и обемно.

Съвкупността от линейните и ъгловите деформации на елементарния паралелепипед се определя като деформационно състояние в разглежданата точка. Деформациите на телата и на изграждащите ги елементарни обеми могат да бъдат еластични и пластични. Възможни са три вида схеми на главни деформации:

- схема с една отрицателна и две положителни главни деформации, характерни за сплескването на телата;
- схема с една нулева, една положителна и една отрицателна главна деформация;
- схема с една положителна и две отрицателни главни деформации, схема свързана с удължаване на телата.

Деформацията на цялото тяло се оценява с т.нар. степен на деформация, която се представя с величини, характеризиращи относителните изменения на размерите на телата. Например, при деформиране на призматично тяло с размери H, B и L под действие на осово приложена сила на натиск при операцията сплескване, то променя размерите си в h, b и l. Деформацията на тялото може да се оцени чрез относителните линейни деформации в трите координатни направления. Аналогични зависимости могат да се получат и при деформиране на тялото под действие на сили на опън, т.е. при удължаване на тялото.

За оценяване на скоростта на изменение на формата и размерите на телата се използва понятието скорост на деформация. Тя се определя като изменение на степента на деформация за единица време. Съгласно това определение дименсията на скоростта на деформация е [s-1]. Трябва да се прави разлика между скорост на деформация и скорост на деформиране. Скоростта на деформиране е скоростта на движение на деформиращия инструмент и има дименсия [m/s]. При една и съща скорост на деформиране, в зависимост от размерите на подложеното на деформиране тяло, скоростта на деформация може да бъде различна и обратно.

Когато върху метални тела се прилага постепенно нарастваща външна сила, те, както и отделните им части, получават първоначално еластични, а след това и пластични деформации. Следователно, във всеки момент общата деформация на телата се състои от две компоненти - еластична и пластична деформация. Съотношението на стойностите им зависи от температурата и скоростта на деформиране. За най-пълно използване на възможностите на методите за обработване на металите чрез пластична деформация от съществено значение е познаването на условията, при които еластичните деформации преминават в пластични. Тези условия се наричат условия за пластичност.

Натоварването на цилиндрично или призматично тяло с осово приложена сила на опън, т.нар. изпитване на опън, е най-нагледният пример за еластично и пластично деформиране. Самото изпитване се извършва с метални пробни тела, чиито форма и размери са стандартизирани.

При пластична деформация на металите се получава преориентиране на кристалитие (зърната). Възниква деформационна текстура (фиг.5.1).

Фиг.5.1. Деформационна текстура на изковка.

Способността на телата да се деформират под действието на външни сили се нарича пластичност. Тя се оценява с максималната степен на пластична деформация, която може да получи тялото преди да се разруши. Пластичността се разглежда не като постоянно свойство на металите и сплавите, а като тяхно състояние. Пластичността, която се определя при конкретен технологичен процес, характеризиращ се с дадена механична схема на деформиране, се нарича технологична пластичност или деформируемост.

Съпротивлението срещу пластично деформиране се оценява с напрежението, което предизвиква определена степен на деформация. За случая на изпитване на опън съпротивлението срещу пластично деформиране се определя с действителното напрежение.

Между пластичността и съпротивлението срещу пластично деформиране няма установена еднозначна зависимост. Даден метал или сплав могат при определени условия да бъдат с висока пластичност, но за осъществяване на пластичните деформации са необходими значителни сили, т.е. тяхното съпротивление срещу пластично деформиране също да бъде високо. Пластичността и съпротивлението срещу пластично деформиране зависят от редица фактори: температура на деформиране; скорост на деформация; химическият състав и изходна структура на металите и сплавите, вид на напрегнатото състояние.

В резултат от пластични деформации в определен, характерен за всеки метал или сплав температурен интервал, се наблюдава значително изменение на физико-механичните свойства на металите и сплавите. Увеличават се якостните показатели - граница на провлачане и граница на якост, нараства съпротивлението срещу пластично деформиране, намалява пластичността. Едновременно с това се увеличава електрическото съпротивление, намалява топлопроводността и корозионната устойчивост на металите и сплавите. Температурният интервал на деформиране, в който се наблюдава описаното изменение в свойствата на металите и сплавите, е известен като температурен интервал на студено пластично деформиране, а получената пластична деформация - студена пластична деформация. Изменението на физико-механичните свойства на металите и сплавите в резултат от осъществената студена пластична деформация се нарича деформацнонно уякчаване (наклеп). Тъй като деформационното уякчаване е свързано с повишаване на съпротивлението срещу пластично деформиране, студената пластична деформация създава препятствия за осъществяване на механизма на плъзгане в метала. За преодоляването им са необходими по-големи напрежения, т.е. съпротивлението срещу пластично деформиране нараства. От друга страна, тези препятствия намаляват големината на възможните преплъзвания - намалява се пластичността на металите и сплавите.

За чистите метали рекристализацията започва при температура Тр ~ 0,4Тт [°K]. Наличието на разтворими примеси в металите повишава температурата на рекристализация. Деформирането на металите при температура, по-висока от Тр, се съпровожда с едновременното протичане на два процеса - деформация на кристалитите, водещо до деформационно уякчаване, и процес на рекристализация, водещ до премахване на деформационното уякчаване.

Размерите на кристалитите след рекристализация зависят от степента на осъществената пластична деформация и от температурата, при която се осъществява рекристализацията. Тази зависимост обикновено се представя под формата на тримерни диаграми на рекристализация, които се построяват чрез специални експерименти и които са характерни за всеки метал или сплав. Особеност на тези диаграми са т.нар. критични степени на деформация e, при които се наблюдава рязко увеличаване на размерите на рекристализиралите кристалити.

Гореща пластична деформация е деформацията, при която е налице напълно рекристализирала структура. Тя е резултат от деформиране на телата в такива температурно-скоростни условия, които обуславят през време на деформирането им пълна рекристализация на метала. Горещата пластична деформация не предизвиква деформационно уякчаване на металите и сплавите.

Студена пластична деформация е деформацията, при която в структурата на метала не протича рекристализация. Тя е резултат от деформирането на телата при такива температурно-скоростни условия, които не осигуряват през време на деформирането протичане рекристализацията. Студената пластична деформация предизвиква интензивно деформационно уякчаване на металите и сплавите.

Пластичното деформиране на металите се подчинява на следните физични закони.

Закон за най-малкото съпротивление. При пластична деформация на метално твърдо тяло се получава преместване на частиците една спрямо друга. Последователността на преместване на металните частици определя характера на течене на метала. В дадена посока изтичането може да е свободно, а в друга - ограничено от инструмента. В направлението, в което изтичат най-много частици, деформацията е най-голяма. След анализиране на различни деформационни процеси е установен законът за формоизменението на метала които гласи: Ако точките на деформиращото се тяло имат възможност да се преместват в различни посоки, всяка точка от него се премества по посока на най-малкото съпротивление. Законът за най-малкото съпротивление има и друго наименование - условие за най-малък периметър.

Закон за подобието. Съгласно този закон работата, изразходвана за подобни деформации на геометрично подобни тела от един и същ материал, е пропорционална на обемите и на масите им. Законът има практическа стойност при изчисляване на работа и сила при пълно подобие на деформациите.

Законът за постоянството на обемите при пластичната деформация гласи: Обемът на метала при пластична деформация практически е постоянна величина. Във връзка с това при технологичното проектиране обемът на изходната заготовка се определя, като към обема на полуфабриката се прибави обемът на метала, предвиден за технологични загуби (за нагряване и за технологичния израстък). Стремежът е обемът на метала, предвиден за технологични отпадъци и окисление, да се сведе до минимум. За тази цел се усъвършенстват технологиите и нагревателните съоръжения.

Основните закони на пластична деформация имат практическа стойност при проектирането на технологичните процеси на пластична обработка на металите.


5.2. Технологични особености при получаване на изделия и заготовки чрез коване

Коване се нарича този технологичен процес на гореща обработка на металите чрез пластична деформация, при който формата и размерите на изработваното изделие не се определят от формата и размерите на инструмента.

Предимства и недостатъци на коването

Съвременният етап на рационализиране на процесите при коване е свързан с използуването на все по-големи заготовки, получени чрез непрекъснато леене и с внедряването на промишлени изделия от сложно легирани термоустойчиви и високояки сплави. Чрез коване могат да се получават изковки с най-различни размери и форма. Коването е единственият метод за изработване на тежки изковки. Освен изброените предимства коването има и недостатъци: сравнително ниска производителност, малка точност на размерите, значителни прибавки за механична обработка, голям разход на висококвалифициран труд.

Видове операции при свободно коване

Формоизменението на заготовката се осъществява чрез приложение на единични или комбиниран брой ковашки операции: сплескване, изтегляне, пробиване, огъване, усукване, отсичане.

Сплескването е технологична операция, при която се намалява височината на изходната заготовка в направление на действието на приложените активни сили и едновременно с това се увеличава големината на напречното й сечение. Сплескването се характеризира със следните особености:

- Под действие на деформиращата сила F се поражда реакция на неподвижната част на инструмента F'. Заготовката би трябвало да се намира в условие на едномерно напрегнато състояние - натиск (фиг.5.2.). Но върху двете равнини на контакта възникват контактни сили на триене Т и Т', които се стремят да се противопоставят на движението на заготовката. Така се създава обемно напрегнато състояние на метала. Вследствие на това напрегнатото състояние е неравномерно с три зони, които придават бъчвообразен вид на цилиндричната заготовка.

Фиг.5.2. Схема на операцията сплескване.

Формоизменението на метала при сплескване е неравномерно поради силите на триене, които се пораждат между инструмента и заготовката - появяват се области на затруднена деформация, на прилепване на метала към инструмента. Вследствие на това, в метала на заготовката се създава обемно напрегнато състояние с неравномерна деформация. Тази технологична операция се прилага като предварителна операция за изработване на изковки от типа на барабани, зъбни колела др. и като предварителна операция за получаване на еднородни механични свойства на метала. При сплескване на цилиндрични заготовки се получават зони с различна степен на феформиране (фиг.5.3.). Експериментално е установено, че зона I практически е недеформирана и има най-малка твърдост. Най-интензивна е деформацията в зона II, в която металът формоизменя от центъра към периферията. В зона III има по-равномерна деформация. Съотношението на зоните зависи от съотношението do / ho. С увеличаване на съотношението do / ho големината на зона I се намалява, зона III също се намалява.
Фиг.5.3. Зони на деформация при сплескване на цилиндрични заготовки.

Изтеглянето е технологична операция, при която дължината на заготовката се увеличава за сметка на намаляване на напречното и сечение. Изтеглянето се осъществя чрез нанасяне на последователни удари (или последователни притискания) на съседни участъци на нагрятата заготовка. При всеки удар на чука или натиск на пресата височината на заготовката се изменя. Отношението на величината на изтегляне към първоначалната височина на заготовката определя относителната степен на деформация. При изтегляне на заготовки с квадратни напречни сечения след всеки удар заготовката се обръща на 90°. След всяко завъртане и нанасяне на удар се подава недеформиран метал по оста на изковката. Дълги заготовки се изтеглят от средата към края.

Пробиването е технологична операция при коване, вследствие на което в заготовката се получава отвор. В машинното коване детайлите се пробиват с поансони, които биват обикновени и специални. Нагрятата заготовка първоначално се сплесква на около 25-35% от първоначалната височина, след което се извършва самото пробиване. Технологичната ковашка операция пробиване се прилага при коване на кухи валове с малки дължини, гривни, фланци, зъбни колела и др.

Огъването е технологична операция, чрез която заготовката получава изпъкнала или вдлъбната форма по зададен контур. Стоманите могат да се огъват в горещо или в студено състояние. Заготовки с по-малки напречни сечения се огъват в студено състояние, а с по-големи се нагряват в мястото за огъване. Чрез операцията огъване се правят скоби, клинове, куки, ролки и др. При огъване се изменя лицето на напречното сечение на заготовката в зоната на изкривяване вследствие на натисковите вътрешни и опъновите външни сили. Външните пластове на заготовката се разтеглят и с това се удължават, а вътрешните се натискат и се стесняват.


5.3. Технологични особености при получаване на изделия и заготовки чрез обемно щамповане

Обемното щамповане е технологичен процес за обработка на метали и сплави чрез пластична деформация, при който формата и размерите на изработваният полуфабрикат се определят от формата и размерите на инструмента, наречен щампа.

Етапи на процеса обемно щамповане

Формоизменението при щамповане се извършва на два етапа. В началото формоизменението се извършва вследствие на определено сплескване, при което изходната заготовка увеличава размера на напречното си сечение и намалява височината си. Този етап продължава, докато деформираният метал достигне страничните стени на щампата. Той се характеризира с триосен натиск, съпроводен с нарастване на съпротивлението срещу деформация. При вторият етап се запълват останалите свободни кухини, като металът обикновено изтича от кухини с по-голямо сечение в кухини с по-малко.

Видове щамповане

Съществуват два основни метода: открито щамповане (шамповане с израстъци - в открити щампи) (фиг.5.4.) и закрито щамповане (щамповане без израстъци - в закрити щампи) (фиг.5.5.).

Фиг.5.4. Щамповане в открита щампа.


Фиг.5.5. Закрито обемно щамповане с монолитна и съставна щампа.

Открито щамповане се извършва в два етапа:

- запълване на пространството на щампата с едновременно изтичане на метал в израстъците и преразпределяне на метала;
- окончателно запълване на щамповъчното пространство и изтичане на излишния метал в израстъците.

В първият период израстъците имат голямо значение, защото създават съпротивление срещу изтичане на метала, което води до запълване на вътрешността на щампата. При преместването на горната половина на щампата надолу, дебелината на израстъците намалява, което увеличава съпротивлението на метала в израстъците срещу изтичането му навън. С това би трябвало да приключи щамповането. Но понеже на практика заготовката има по-голям обем, дължащ се на неточности в изчисленията и отрязването, металът изтича през втория период на щамповането в технологичен израстък като сатурнов пръстен около изковката.

Отпадъкът от метал в израстъците при откритото щамповане достига 15-20% от обема на изковката, а в някои случаи и повече. Ето защо откритото щамповане отстъпва по неточност на закритото щамповане.

При закритото щамповане обемите на щамповъчната кухина и обемът на заготовката трябва да бъдат еднакви. Кухините на щампите, в които на заготовката се предава определена форма, се наричат деформационни пространства (гнезда). Те се разделят на подготвителни и окончателни. Процесът на формообразуване при закрито обемно щамповане се състои от следите стадии:

Първи стадий. Деформацията се състои в свободно сплескване, открито изтичане, открито пробиване или съчетание на тези операции в зависимост от конфигурацията на изковката и с щамповъчните кухини.

Втори стадий. В зависимост от посочените фактори деформацията може да бъде закрито изтичане, закрито пробиване или някои съчетания.

Трети стадий. Окончателно се запълват на ъглите в формата на най-дълбоките части в кухината на щампата.

Обща схема на процеса горещо обемно щамповане

Общата схема на технологичния процес за получаване на изковки при горещо обемно щамповане се състои от следните етапи:

- нарязване на заготовките;
- нагряване на заготовките;
- щамповане;
- обрязване на израстъците;
- термообработка на изковките;
- почистване на изковките от окиси;
- изправяне и калиброване на изковките;
- контролиране на качеството.

Щамповането е високопроизводителен и икономичен метод. Затова се използва в серийното и масовото производство. Изковките се доближават до формата на готовия детайл, което намалява обема на механичната обработка и разхода на метал.

Подготвителни преходи се използват за подготвяне на заготовката за щамповане в предварителното деформационно пространство чрез преразпределение на метала в съответствие с формата на изковката (фиг.5.6-2). Предварително се оформя изковката (фиг.5.6-3). Формата на полученото в прехода тяло е близка до окончателната форма на изковката. За нея са характерни по-големите радиуси на закръгления и липсата на технологичен израстък.

Окончателен преход. Той оформя окончателните размери и форма на изковката. На тези преходи изковката се получава с преграден слой метал (при оформяне на отвора) и с технологичен израстък (при открито щамповане) (фиг.5.6-4).

Фиг.5.6. Инструмент за открито обемно щамповане, деформационни пространства (гнезда) за щамповане и форма на изковката след всеки преход - 1,2 подготвителни; 3-предварителен; 4 -окончателен.

Технологични израстъци. В щампите при открито щамповане се използуват няколко типа канали за израстъка. Размерите и формата на израстъците зависят от размера и сложността на изковката и от вида на щамповъчната машина. От правилното им подбиране зависи нормалното избутване на изковката от щампата и правилното запълване на профила на деформационното пространство. По широчината си каналът има два участъка - нисък, наречен мост, и висок, наречен магазин. Повърхнината, която разделя подвижните части на щампата, се дефинира като повърхнина на разделяне на щампата. Разположението и видът на повърхнината и линията на разделяне зависят от формата на изковката и тя се избира от гледна точка на:

- минимална сила на деформиране;
- минимална маса на изковката;
- минимална маса на технологичните отпадъци;
- опростена конструкция на щампата.

При определянето й трябва да се спазва следните принципи:

а) разделителната равнина да се определя така, че кухините да са по възможност най-плитки и най-широки;
б) разделителната повърхнина трябва да бъде равнина.

Изковката се задържа в щамповъчната кухина от силата на триене, която трябва да се преодолее при нейното изваждане. За изваждане на изковката от щампата се проектират щамповъчни наклони. Щамповъчните наклони са два вида - външни и вътрешни и са в порядък от 3-12°. Преходите между пресичащите се повърхнини на изковката се оформят чрез закръгленията с определен радиус, които условно се разделят на външни (R) и вътрешни (r), радиуси на закръгления. Закръгленията се предвиждат за повишаване на издръжливостта на щампата, подобряване на условията на запълване на деформацинното пространство и осигуряване на необходимото качество на изковките.

Разработване на технология за обемно щамповане

Разработването на технологичния процес при пластично деформиране изисква решение на редица въпроси в определена последователност.

- Избира се на метод за производство на изковките. При това се вземат пред вид производствените мощности (налични и
  перспективни), типът, възможностите и техническото състояние на машините и съоръженията, възможните комбинации
  между отделните машини, серийността на производството, видът на изходните заготовки, редица икономически и
  специфични показатели.

- Изработва се чертежа на изковката. В него се определят действителните прибавки и делителната линия на изковката.
  Възможно е да се допуснат някои изключения от стандартните изисквания, ако те са наистина наложителни. При открито
  щамповане се определят и размерите на израстъците, преградния слой метал и технологичните надбавки. Последните две
  в много случаи са обект и на закритото щамповане.

При технологичния процес се:

- Определя броят и видът на преходите. Разработват се и чертежи на изковката по преходи.
- Пресмятат обемът на заготовката, в който се включват прибавките, надбавките, технологичните израстъци и окисленият
  метал при нагряване.
- Определят формата, размерите и техническите условия, на които трябва да отговарят заготовките.
- Пресмятат необходимите сили по преходи, сумарната деформираща сила и се избира работната машина. При това се
  отчита и възможността да се изпълни възприетият технологичен вариант при конкретните условия (затворена височина,
  размери на работната маса и други).
- Определят видът и режимът на нагряване на заготовките и се прави избор на нагревателните съоръжения.
- Пресмята необходимата сила за изчисляване на усилието на деформиране при обрезно-прошивни операции Избират се
  подходящите машини за обрязване и прошиване на изковките.

Като пример за определяне размерите на предварителната заготовка може да послужи зададената на фиг.5.7. изковка.
Фиг.5.7. Параметри на примерни изковка и
предварителна заготовка.

От прилагането на закона за постоянството на обема преди и след деформацие се достига до уравнението:

                   

В лявата страна на уравнението са известните параметри на изковката, а в дясната - височината и диаметъра на предварителната заготовка. За да не се изкълчи заготовката по време на деформацията трябва да бъде изпълнено следното условие:

                   

Тази втора зависимост помага да се преодолее неопределеността при изравняването на обеми. След използването на тази зависимост може да се определят диаметъра и височината на предварителната заготовка след решаването на уравнението:

                   

по отношение на do.

Важен етап от технологичното проектиране е разработването на технологичната екипировка. Конструкциите на отрезните щанци, еднопреходните и многопреходните щампи, обрезните щампи и комплектоващите приспособления трябва да бъдат обосновани и да се направи преценка на тяхната технологичност. В инструкцията за експлоатация се посочва температурният режим на щампите и конкретно на работните им елементи. Определя се работната температура, температурата на предварителното подгряване, начинът на поддържането и контролирането й.

Предимствата при получаването на изковки чрез щамповане на преси се състоят в:

- по-голяма точност на изковките;
- по-голяма производителност (с 30-50%) от тази на щамповъчните чукове;
- по-благоприятни условия за работа на обслужващия персонал;
- по-малки капиталовложения за фундаменти;
- по-висок к.п.д. на пресите спрямо чуковете (до два пъти);
- възможност за механизиране на технологичните процеси.

Разработването на процеса за производство на горещощамповани изковки изисква добро познаване както на пресите, така и на особеностите на процесите, при които те се използват. При щамповане на преси трябва да се има пред вид и ограничената възможност за удължаване на заготовките. Препоръчва се в тези случаи металът да се разпределя чрез прещипване или при обработването да се използва комбинация с други машини - чукове, ковашки валци, машини за напречно-клиново валцуване и др.

Скоростта на плъзгача на пресите при работен ход е 0,5-0,8 m/s, т.е. около 10 пъти по-малка от тази на механичните чукове. При посочените условия на работа при пресите могат да се приложат начини за закрепване на щампите, различаващи се от тези при чуковете. Осигурява се стабилно водене на долната и горната плоча чрез колони и втулки и намаляване на несъответствието между гравюрите в двете половини в работно положение. С това се осигуряват прибавки за механична обработка, намалени с 20-35% спрямо тия при чуковете. Механизацията на производствените процеси е по-лесно приложима.

При коляновите преси се използват мощни долни и горни изхвъргачи (най-често от механичен тип). Необходимата мощност за механичните изхвъргачи се посочва в техническите характеристики на пресите и е около една десета част от номиналната сила на съответната преса. При използване на изхвъргачи щамповъчните наклони се намаляват, а в някои случаи дори се премахват. Тези наклони са стандартизирани, при което се отчита марката на обработваемия материал.

При щамповане на преси в закрити щампи задължително се работи с изхвъргачи. Прибавките се намаляват с 20-25% спрямо тия при щамповане в открити щампи. Допуските също се намаляват.


5.4. Технологични особености при получаване на изделия и заготовки чрез валцуване

Валцуването е един от най-разпространените начини за обработване на металите и сплавите чрез пластична деформация. Около 80% от добиваната стомана и около 60% от добиваните цветни метали и сплави се подлагат на валцуване. Чрез валцуване се изработват различни изделия, част от които са показани на фиг.5.8. Това са ламарини, пръти и греди с най-различно напречно сечение, наречени валцовани профил и пръти с периодично повтарящ се профил, наречени периодични профили. Като изходни заготовки във валцовъчното производство се използват отлети метални блокове. Стоманените блокове са с маса до няколко десетки тона, а блоковете от цветни метали и сплави до няколко тона.

Фиг.5.8. Схематична диаграма за производството на валцови продукти, разработена от American Iron and Steel Institute.


Валцуване

Валцуването е технологичен процес за обработване на металите чрез пластична деформация, при който изходната заготовка се деформира чрез принудителното и прекарване между въртящи се валци. Разстоянието между тях е по-малко от дебелината на заготовката и в резултат се осъществява деформационен процес, при който се намалява напречното сечение на заготовката и се увеличава нейната дължина (фиг.5.9).

Фиг.5.9. Схема на действие на силите при започване на процеса на надлъжно валцуване.

За да може да започне процесът на валцуване, т.е. за бъде въвлечена заготовката между валците, е необходимо коефициентът на контактно триене да бъде по-голям от тангенса на ъгъла на захващане (ъгъл a - фиг.5.9.)

Горещото валцуване се осъществява се при начални температури за стомана 1100-1300 °С, за мед 750-850 °С, за месинг
600-800 °С, за алуминий и сплавите му 350-400 °С, за цинк около 150 °С. При валцуването металът претърпява значителна пластична деформация на натиск, от която се променя първоначалната му, структура. Обикновено след охлаждането металът има по-висока плътност и дребнозърнеста структура (фиг.5.10.) и следователно по-добри якостни качества.

Фиг.5.10. Горещо валцуване. 1 - недеформирани зърна; 2 - удължени зърна;
3 - нови зърна; 4 - начало на рекристализация.

При надлъжното валцуване процесът се осъществява между успоредни, въртящи се в противоположни посоки валци, които придават на заготовката само постъпателно осово движение. Приложение намира и начин на валцуване, наречен винтово валцуване. При този процес (фиг.5.11.) валците са кръстосани, въртят се в една посока, а заготовката в процеса на деформиране получава въртеливо и постъпателно движение.

Фиг.5.11. Винтово валцуване.

В зависимост от температурните условия на деформиране валцуването бива горещо или студено.

Валцови машини

Машините, с които се осъществява процесът на валцуване се наричат валцови машини. Валцовият стан (прокатен стан) е комплекс от машини и съоръжения за пластична деформация на метал между система валци, за дообработване на валцувания продукт (изправяне, рязане и др.), често и за транспортирането му до склада за готова продукция (фиг.5.12.).

Фиг.5.12. Валцов стан. 1 - везна; 2 - обръщач; 3 - ролков път;
4 - вода с високо налягане; 5 - валцова клетка; 6 - ножици;
7 - готов продукт.

Машините и съоръженията на валцовия стан са основни спомагателни. Спомагателните машини и съоръжения на валцовия стан са предназначени за обръщане, преместване, транспортиране, рязане на метала, изправяне, намотаване на продукцията и други операции. Според предназначението си валцовия стан биват за удължаване на полуфабрикат, за удължаване на метал в затворен контур. Функцията на основните машини и съоръжения, образуващи главната линия на валцова машина, е свързана с процеса на деформация на метала. Най-важна съставна част на валцовата машина е валцовата клетка (работна клетка).

Работната клетка (фиг.5.13.) се състои от тяло 1 и монтирани в него на лагери, валци 2. Работната клетка е снабдена и с устройство, чрез което може да се променя разстоянието между валиите. Валците получават въртеливо движение от електродвигател 9 посредством предавателен механизъм, който се състои от понижаваш, редуктор 7, зъбна клетка 5 и валове 3 и 4. От двигателя към редуктора и от редуктора към зъбната клетка движението се предава чрез съединителите 6 и 8. Необходимата посока на въртене на валците се предава чрез зъбната клетка. Движението от зъбната клетка към вретената и от вретената към валците се предава посредством твърди съединители.

Фиг.5.13. Устройство на валцовата клетка.

Във валцовото производство съществува понятието валцуване на полуфабрикати. Това е първоначално горещо надлъжно валцуване на металните блокове и превръщането им в заготовки за следващо производство на профили, тръби и ламарина. Заготовките, предназначени за валцуване на профили, се наричат блуми и представляват метални паралелепипедни тела с квадратно напречно сечение със страни, по-големи от 140 mm. Слябите са заготовки за производство на ламарина. Те представляват паралелепипедни тела с правоъгълно напречно сечение. Широчината им достига 400-2500 mm, а дебелината 75-600 mm.

Чрез неколкократно прекарване на блока между валците, при което между тях може да се извърши и завъртане на блока около оста му на 90°, се получават посочените тела с квадратно или правоъгълно напречно сечение. Още в горещо състояние чрез специални ножици тези тела се нарязват на дължини от 2 до 6 m. Така получените блуми и сляби могат без допълнително нагряване да бъдат подадени за следващо валцуване за производството на профили или ламарина. Произвежданите валцовани профили (фиг.5.14) могат да са с различно по форма и размери напречно сечение. Те се получават чрез горещо валцуване с профилни валци в които се намират няколко деформационни пространства, наречени калибри.

Фиг.5.14. Форми на напречното сечение на валцовани профили. а - квадратни; б -кръгъл; в - правоъгълен (шина); г - ъглов(винкел); д - двойно Т-образен; е - П-образен;
ж - релсов; з - за трамвайни релси; и - Т-образен;
й - шунтов; к - за тракторни вериги; л - за джанти на товарни автомобили; м - за турбинни лопатки.

Произвежданата чрез валцуване ламарина условно се разделя на два вида: горещо валцована (дебела) ламарина - с дебелина
4-60 mm, и студено валцована (тънка) ламарина - с дебелина под 4 mm.

Дебелата ламарина се получава чрез горещо валцуване с гладки валци. Нагретите до определена температура сляби се подлагат на по-нататъшно валцуване с двувалцови и тривалцови машини. Разновидност на тривалцовата машина за валцуване на дебели ламарини е т. нар. лаутова тривалцова машина (фиг.5.15.). В работната й клетка средният валец е свободно въртящ се и с диаметър, по-малък от диаметъра на другите два валеца (Dср = 0,66 D). Той може да се премества нагоре и надолу, като се опира в горния или долния валец. Подложената на валцуване заготовка в едната посока на валцуване преминава между долния и средния валец, а в обратната посока -между средния и горния валец. Дебелината на валцованата заготовка се намалява след всяко преминаване между валците чрез спускане на горния валец. В лаутовата тривалцова машина горният и долния валец получават въртеливо движение и периодично служат като опорни валци.

Фиг.5.15. Тривалцова машина.

Тънките ламарини се произвеждат чрез горещо и студено валцуване. Чрез горещо валцуване се произвеждат ламарини с минимална дебелина до 1,25 mm. Валцуването се извършва в непрекъснати валцови машини с четиривалцови работни клетки. Тъй като процесът на валцуване на тези ламарини завършва при температури, по-ниски от температурата на рекристализация, металът е деформационно уякчен. За отстраняване на деформационното уякчаване се прилага рекристализационно отгряване.

За производството на тънки ламарини чрез студено валцуване като изходна заготовка се използуват ламарини, произведени чрез горещо валцуване. При многовалцовите машини (фиг.5.16.) работни са само два валеца, а останалите са опорни, осигуряващи висока стабилност на деформационния процес и високо качество на произвежданата ламарина.

Фиг.5.16. Схема на разположение на валците в работните клетки за валцуване на тънки ламарини.

Производството на безшевни тръби чрез валцуване се осъществява на два етапа. През първия етап се получава полуфабрикат под формата на дебелостенна тръба. През следващия етап този полуфабрикат се подлага на допълнително валцуване, за да се намали дебелината на стената и диаметъра на тръбата. По този начин се получават безшевни тръби с различен диаметър и различна дебелина на стената.

Дебелостенните тръби се произвеждат чрез валцуване между кръстосани валци, а дебелината на стената на дебелостенната тръба се намалява чрез допълнително валцуване, което може да се осъществи по два начина. Според първия начин, чрез т.нар. пилгероване дебелостенната тръба се валцова в горещо състояние между валци със специален профил, който създава променящ се по форма и размери калибър. Произведената чрез пилгероване тръба е с известна овалност на сечението и обикновено се подлага на следващо калиброване.

Вторият начин за намаляване на дебелината на стената на дебелостенната тръба е чрез валцуването й върху дорник между валците на непрекъсната валцова машина.


5.5. Технологични особености при получаване на изделия и заготовки чрез пресуване

Пресуването е технологичен процес за обработване на металите чрез пластина деформация, при който крайното изделие се получава чрез принудително формоизменение на метала на заготовката през отвор в деформационното пространство. Изделията, произведени чрез пресуване, могат да бъдат както плътни, така и кухи и се наричат съответно пресувани профили и пресувани тръби. Формата и размерите на напречното сечение на пресуваните изделия се определят от формата и размерите на отвора, през който металът се формоизменя.

Чрез пресуване се изработват изделия от цветни и черни метали и сплави с различна форма и различни размери на напречните им сечения: плътни профили с диаметър от 3 до 300 mm, тръби с външен диаметър от 20 до 400 mm и с дебелина на стената от 1,5 до 12 mm. Получените пресувани изделия имат по-висока точност от валцованите профили и тръби. Същевременно чрез пресуване могат да се изработват профили със значително по-сложна форма на напречното им сечение от тази, постигана чрез процесите на валцуване.

Прилагат се два основни начини на пресуване - право и обратно.

При правото пресуване (фиг.5.17.) изходната заготовка се помества в камерата 2 и под действието на поансона 1 металът се изтласква през отвор в матрицата 4. Посоката на изтичане на метала съвпада с посоката на движение на поансона. При формоизменението по този начин заготовката намалява постоянно своя обем, придвижвайки се спрямо стената на камерата по посока на движението на поансона. Характерна особеност на този начин на пресуване са възникващите сили на триене, които се противопоставят на движението на заготовката.

Фиг.5.17. Схеми на право пресуване на профил и тръба.

При схемата на обратно пресуване (фиг.5.18) матрицата 4 е закрепена на поансона 1 и изтичането на метала е в посока, обратна на посоката на движение на поансона.

Фиг.5.18. Схеми на обратно пресуване на профил и тръба.    

За пресуване на тръби и чрез двата начина се използуват предварително пробити заготовки, а металът изтича през пръстеновиден отвор, създаден от отвора на матрицата и съответният дорник. При този процес на формоизменение заготовката е неподвижна спрямо стената на камерата и между нея и камерата не възникват сили на триене. Както се вижда от схемата обаче обратното пресуване изисква по-сложна конструкция на инструмента и машината и по тази причина то намира по-ограничено приложение.

За разлика от валцуването, при пресуването не може да се осъществи пълно (изцяло) изтласкване на заготовката от камерата на инструмента. От нея остава така наречения пресостатък. Пресостатъкът е технологичен отпадък за процеса на пресуване и за схемата на право пресуване неговият обем е около 12-15%, а при обратно пресуване 5-6% от масата на заготовката. Пресуването обикновено се реализира на горещо.

Общата сила за пресуване се състои от две части, като първата част се изразходва за преодоляване на съпротивлението срещу деформиране, а втората за преодоляване на силите на триене между заготовката и инструмента. При процеса на обратно пресуване втората част е равна на нула. Тъй като в процеса на право пресуване дължината на заготовката непрекъснато намалява, то по тази причина непрекъснато намалява и силата на триене. При постоянна стойност на съпротивлението срещу деформиране това води до намаляване на силата на пресуване. За намаляване на силите на триене при обработване на цветни метали и сплави се използват маслено-графитни мазилни вещества. При горещо пресуване на стоманени профили широко приложение е получило мазането чрез стъклена шайба, поставена между матрицата и заготовката. От контакта със загрятата заготовка, повърхностният слой на стъклената шайба се стопява и намазва повърхността на изтичащия метал. Стъклената шайба непрекъснато подхранва матрицата със стопена стъклена маса и пресуваният профил се получава с тънка стъклена кора, която го предпазва и от корозия.


5.6. Технологични особености при получаване на изделия и заготовки чрез изтегляне през дюза

Изтеглянето през дюза е технологичен процес за обработване на металите чрез пластична деформация, при който заготовките се деформират чрез принудителното им прекарване през отвор под действие на сила на опън. Лицето на напречното сечение на отвора е по-малко от лицето на напречното сечение на заготовката и в резултат на това се намаляват напречните размери на сечението на заготовката за сметка на нейната дължина (фиг.5.19.).

Фиг.5.19. Схема на процеса изтегляне през дюза.

Изработваните чрез изтегляне през дюза изделия могат да бъдат плътни или кухи и се наричат съответно изтеглени профили или тел и изтеглени тръби. Условно е прието за изтеглен тел да се наричат изделията с диаметър под 5 mm. Формата и размерите на напречното сечение на изтеглените изделия се определя от формата и размерите на отвора на инструмента, наречен дюза.

За осъществяване на процеса на изтегляне е необходимо силата на изтегляне да не предизвиква допълнителни пластични деформации във вече изтеглената част от заготовката. В противен случай формата и размерите на напречното сечение на изтеглените изделия ще се отличава от тези на отвора на дюзата. Може да се стигне до появяване на шийка, разрушаване на изделието и прекратяване на процеса. Следователно, условието за осъществяване на процеса изтегляне е: напрежението, което създава силата на изтегляне във вече изтеглената част да не достига границата на провлачане на метала в тази част. Това условие може да се спази само при положение, че пластичната деформация в процеса на изтегляне се съпровожда с деформационно уякчаване на метала. Това следва от факта, че при подлагане на опън на тяло от неуякчаващ се метал равномерните деформации са равни на нула и под действие на силата на изтегляне в такъв метал веднага ще се появи съсредоточена деформация. Оттук следва и практическият извод, че процесът на изтегляне през дюза не може да се осъществи в условията на гореща пластична деформация. Колкото по-голяма е степента на деформационно уякчаване на даден метал или сплав, толкова по-големи степени на деформация те допускат при изтеглянето им през дюза.

Силата на изтегляне, освен от съпротивлението на металите и сплавите срещу пластично деформиране зависи и от степента на деформация при процеса на изтегляне. Във връзка с това посоченото по-горе условие за изтегляне определя и допустимата степен на деформация за един преход, т.е. за едно преминаване на заготовката през дюзата. За получаване на изделия, които изискват по-голяма степен на деформации от допустимата за един преход, изтеглянето се извършва на няколко прехода, т.е. през няколко дюзи. При многопреходното изтегляне способността на метала за деформационно уякчаване от преход в преход непрекъснато намалява и при определена обща степен на деформация напълно се изчерпва. По-нататъшното изтегляне е невъзможно поради нарушаване на условието за изтегляне. То може да бъде осъществено, ако се възстанови способността на метала към деформационно уякчаване, което се постига чрез рекристализационното му отгряване. По тези причини технологичните процеси на изтегляне през дюза обикновено се реализират с междупреходни отгрявания, чийто брой се определя от вида на материала на заготовката и от общата степен на деформация, необходима за получаване на крайното изделие.

Инструментът за изтегляне - дюзата, се изработва от инструментални стомани и твърди сплави.

Основи възли на машината за изтегляне на тел (фиг.5.20) са тяло 1, електродвигател 2, барабан 3, който изтегля тела през дюзата 5 и го намотава в основата си. При намотаването телът се подрежда отдолу нагоре по конуса (от по-големия към по-малкия диаметър на конуса). Инструментът за сваляне на тела 4 е поставен върху барабана.
Фиг.5.20. Изтеглячна машина на тел за еднократно изтегляне.


5.7. Технологични особености при получаване на изделия и заготовки чрез листово щамповане

Листовото щамповане, наричано често в практиката щанцоване, е процес на щамповане, при който като изходна заготовка се използва листов материал. Листовото щамповане, както и обемното щамповане, е технологичен процес за обработване на металите и сплавите чрез пластична деформация, при който формата и размерите, на изработваното изделие се определят от формата и размерите на инструмента, наречен щампа. При обемното щамповане преразпределението на метала е обемно и деформациите в трите координатни направления са съизмерими. При листовото щамповане преразпределението на метала е предимно в дадена равнина или повърхнина. Деформацията в едно от координатните направления, е значително по-малка от тази в другите две направления.

Основните предимства на листовото щамповане са: възможност за изработване на точни и леки изделия и конструкции със сравнително нисък разход на материал, при висока производителност и ниска себестойност на изработваните изделия, с благоприятни условия за автоматизация на технологичните процеси.

Видове операции при листово щамповане

Операциите на листово щамповане се разделят на два основни класа: разделителни и формоизменящи операции.

Като разделителни са определени операциите, чрез които се извършва отделяне на една част от заготовката от друга нейна част. Към разделителните операции се пречисляват:

- отрязване, което преставлява пълно отделяне на част от заготовката по незатворен контур;
- при разрязването се разделя заготовката или изделието на части по незатворен контур;
- изрязването е пълно отделяне на част от заготовката по затворен контур;
- пробиването се характеризира с оформяне на отвор чрез пълно отделяне на част от заготовката или изделието по затворен
  контур.

Формоизменящите операции са операциите, с които се извършва пластично изменение на формата на заготовките и се получава изделие с определена форма, размери и механични свойства. Формоизменящите операции са:

- огъване, образувано чрез изменение на ъгли между части на заготовката или придаването им на криволинейна форма;
- усукване, осъществено чрез завъртане на част от заготовката около надлъжната й ос;
- подгъване, характерно с образуване на закръглен край по контура на равнинна или пространствена заготовка;
- дълбоко изтегляне без и с изтъняване.

Изрязването и пробиването са две операции, които се извършват по един и същи начин. Разликата между тях се състои в това, че при изрязването отделяната част е изделие, а при пробиването, чиято цел с оформянето на отвор, отделяната част е отпадък. Операциите изрязване и пробиване се извършват с щампи, чиито работни части са поансон и матрица. Проектирането на технология за изрязване и пробиване предвижда определяне на формата и размерите на заготовката, определяне на броя, вида и последователността на междинните операции (ако има такава) и определяне на необходимата сила за осъществяване на технологичните операции.

Изходни заготовки за операциите изрязване и пробиване са метални ленти, ивици и листове - продукция на валцовъчното производство. Начинът на взаимно разположение на изрязваните изделия върху металния лист определя начина на т.нар. разкрояване на металните ленти и листове. За оценяване на ефективността на разкрояването се използува показателят коефициент на използване на материала (КИМ). Този коефициент се дефинира като отношение на лицето на изделията изрязвани от заготовката към лицето на цялата заготовка (лента, ивица или лист). Колкото КИМ е по-близко до единица, толкова по-икономично и по-ефективно се използват заготовките.

При определяне на размерите на контура на режещия ръб на поансоните и матриците трябва да се има предвид, че размерите на изрязаните изделия съответствуват на отвора на матрицата, а размерите на пробиваните отвори -на размерите на поансона. Следователно технологично необходимата хлабина между поансона и матрицата при операцията изрязване се осигурява чрез намаляване на размерите на поансона. Обратно, при операцията пробиване тази хлабина се осигурява чрез увеличаване на размерите на матрицата.

Отрязването се осъществява с механични ножици с успоредни или наклонени ножове или с дискови ножици. В механичните ножици с наклонени ножове, наречени още гилотини, горният нож е наклонен спрямо долния под определен ъгъл a = 2-6°. Поради това с тях във всеки момент се отрязва само определена част от сечението на листа и следователно силата на отрязване е по-малка. Недостатък на гилотинните ножици е, че отрязваната ивица се огъва по посока на движението на горния нож и се налага тя да бъде изправяна. Отрязването с дискови ножици се извършва от двойка дискови ножове, които се въртят в противоположни посоки. Под действието на сили на триене листовият материал се увлича между дисковете и постепенно се отрязва подобно на отрязването с гилотинни ножици. С дисковите ножици отрязването може да се извърши по права или крива линия.

При огъване на листов метал в зоната на деформация възниква сложно напрегнато състояние. Напреженията на опън и положителните деформации на външните слоеве са толкова по-големи, колкото по-малък е радиусът на огъване. Под определена стойност на този радиус удължаването на външните слоеве достига определена допустима стойност на деформация и металът в тези слоеве се разрушава. Във връзка с това, за всяка заготовка от определен материал и с определена дебелина съществува минимален радиус, по който тя може да се огъне. Колкото по-пластичен е материалът на заготовката и колкото по-малка е нейната дебелина, толкова по-малка е стойността на минималния радиус на огъване.

« « « предходна страница             следваща страница » » »