Вопросы, рассмотренные в материале:
- Суть процесса обработки металлов давлением
- 2 направления в обработке металлов давлением
- Основные методы обработки металлов давлением
- Дефекты при обработке металлов давлением
Суть процесса обработки металлов давлением
Обработка металлов давлением заключается в пластическом необратимом изменении геометрии под действием прилагаемого извне усилия. Подобная деформация возможна только с высокопластичным материалом, который в ходе обработки приобретает форму и линейные размеры, соответствующие поступившим от заказчика рабочим чертежам.
При подготовке к деформированию пластичность заготовок увеличивают с помощью предварительного нагревания, интенсивность и режим которого зависят от характеристик конкретного сплава.
Обработка металла с помощью давления – метод, в основе которого лежит способность атомов формировать новую стабильную кристаллическую структуру под действием внешних факторов. Чтобы деформирование до требуемых параметров было успешным, прилагаемое усилие должно превышать допустимое значение предела упругости конкретного материала. С помощью пластической деформации можно изменять как конфигурацию и размеры заготовок, так и их физико-химические свойства.
2 направления в обработке металлов давлением
Для обработки металлических заготовок используют холодное или горячее пластическое деформирование.
Увеличение внешнего давления, обозначаемого латинской буквой P, приводит к последовательному смещению частиц в кристаллической структуре металла. Помимо сдвига, также имеет место их постепенный разворот с уменьшением величины угла между вектором прилагаемой силы и направлением смещения зерен, обусловленный их взаимодействием между собой. По мере деформирования они выстраиваются в «волокна», материал приобретает анизотропные свойства.
Холодная обработка металлов давлением ведет к повышению прочности (наклепу) и снижению пластичности. Если пластическое деформирование нужно продолжить, заготовке необходим отжиг. Изготовленные таким методом детали отличают высокие прочностные качества, гладкая поверхность и точные размеры. Эта технология применима только к очень пластичным сплавам. С помощью холодной ОМД осуществляют прокатку тонкого листового металла, волочение, штамповку гильз для пушечных снарядов и т. п.
Для горячей обработки металла давлением требуется нагревание заготовок до значений, больших, чем температура рекристаллизации, что позволяет избежать эффекта деформационного упрочнения и добиться равноосной структуры материала при сохранении волокнистой структуры.
Чем выше нагрев, тем большей пластичности и меньшего сопротивления деформированию удается достичь. Для углеродистых сталей понижение сопротивляемости может быть десяти- и даже пятнадцатикратным. Важно следить за тем, чтобы не допустить пережога и окисления по границе зернистости.
Основные методы обработки металлов давлением
Обработка металлов давлением может осуществляться одним из следующих способов.
Прокатка металла
Эта технология подразумевает воздействие на материал давлением при помощи валков прокатного стана и, соответственно, требует специального оборудования. Данный метод используют для того, чтобы придать заготовке требуемую форму и изменить ее линейные размеры.
На современных металлообрабатывающих предприятиях для обработки металлических заготовок и получения из них листов используют три основных вида прокатки:
- Продольная – используется наиболее часто. При такой прокатке происходит продвижение металлических заготовок между двумя вращающимися в противоположном направлении вальцами, сопровождающееся уменьшением их толщины до размеров зазора между рабочими поверхностями.
- Поперечная. При такой прокатке заготовки вращаются между двумя или тремя соосными валками, вращающимися в одну сторону. Процесс не предусматривает поступательного движения деталей. С помощью данной технологии получают тела вращения, то есть изделия цилиндрической или шаровидной формы.
- Поперечно-винтовая прокатка – это технология, объединяющая в себе два описанных выше способа, применяется для изготовления полых изделий из металлических заготовок.
Читайте также: Сварка титана аргоном
Ковка металла
Следующий вид обработки металлов давлением – ковка – предусматривает нагревание до высокой температуры. Перед тем как подвергнуть деформированию, заготовки выдерживают в специальных печах, где прогревают настолько, насколько это требуется для конкретной марки. Далее следует непосредственно сама обработка, которая происходит в виде:
- штамповки;
- ручной ковки;
- ковки с помощью пневматического, паровоздушного или гидравлического молота.
При свободной ковке, будь то ручная или машинная обработка, металлическая заготовка совсем не ограничена или ограничена только с одной стороны. С помощью ручного способа кузнецы обычно изготавливают единичные изделия или их мелкие партии.
Штамповка – обработка давлением металлических заготовок, помещенных в специальные матрицы, в ходе которой разогретый металл меняет свою форму, заполняя свободное пространство полости штампа.
Машинная ковка производится посредством тяжелой части молота, падающей на неподвижную основу, на которой при необходимости располагается тот или иной подкладной инструмент. Предварительно разогретая заготовка помещается в пространство, разделяющее бойки машины, и под ударами меняет свою форму и линейные размеры.
Читайте также: Сварка труб под углом
Прессование
При обработке с использованием этой технологии пластичный после нагревания металл выдавливается через отверстия особой конфигурации с помощью мощных прессов. Этим способом пользуются для изготовления полых или сплошных профилей из хрупких сплавов и металлов, таких как алюминий или титан.
Экструдирование может быть холодным или горячим. В первом случае название не подразумевает, что материал вообще не подвергается нагреву – речь идет об относительно небольшой температуре, если позволяет высокая пластичность конкретного материала (медь, цинк и т. п.). Для прессования менее пластичных металлов нагревают не только заготовки, но и оснастку.
Для обработки металла прессованием используется оборудование со сменными матрицами, которое дает возможность получать профиль с любой формой и площадью поперечного сечения.
Волочение
Для такой технологии обработки металлов давлением, как волочение, пользуются специализированными приспособлениями – фильерами, или волоками. Процедура заключается в прохождении металла через отверстие рабочего инструмента с формированием поперечного сечения нужной конфигурации. Чаще всего этот метод применяют для изготовления проволоки путем последовательной протяжки заготовок через волоки с постепенно уменьшающимся диаметром отверстия.
Существует несколько вариантов классификации этой технологии. Различают волочение:
- сухое – с использованием мыльной стружки;
- мокрое – с использованием мыльного раствора.
Читайте также: Вредные примеси в стали
В зависимости от чистоты поверхности полученного изделия волочение бывает:
- чистовое;
- черновое.
По количеству проходов различают волочение:
- однократное;
- многократное (осуществляется в несколько этапов с постепенным уменьшением поперечного сечения и увеличением длины заготовки).
По температуре предварительного нагрева волочение бывает:
- холодное;
- горячее.
Читайте также: Марки сталей
Объемная штамповка
Суть данной технологии обработки металлов при помощи давления заключается в использовании специальных матриц – штампов, при помощи которых заготовки приобретают требуемую форму. Внутренняя поверхность полой формы ограничивает движение материала, заставляя его заполнять свободное пространство.
Различают открытые и закрытые штампы. В первом случае лишний металл выдавливается сквозь специально оставленные зазоры. Применение таких матриц позволяет использовать заготовки разной массы. Изделия, полученные при помощи открытого штампа, нуждаются в дополнительной обработке – удалении облоя, образующегося по их контуру.
Как можно понять из названия, в закрытых штампах зазор не предусмотрен – изделия формируются в замкнутом пространстве, а значит, используются заготовки строго определенного веса и объема.
Листовая штамповка
Материалом для изготовления изделий при помощи данного метода служит листовой прокат. Для того чтобы получить детали того или иного вида, применяют штамповку:
- разделительную;
- формообразующую.
Изделия, полученные таким способом, не нуждаются в дополнительной механической обработке. Чтобы изготовить детали высокого качества, необходимо прессовое оборудование с очень точно выполненными деталями.
Технология листовой штамповки – наиболее широко распространенный во всех областях промышленности способ обработки металлических заготовок. Этот метод задействован в самых различных производственных процессах: от изготовления мелких деталей в электронике до производства крупногабаритных элементов кожухов станков или кузовов автотранспорта.
Обработка комбинированными методами
Чтобы полученное изделие наиболее полно соответствовало предъявляемым к нему требованиям, пользуются комбинацией различных технологий обработки металлических заготовок.
К примеру, при помощи технологии, сочетающей обработку давлением со сваркой, удается производить изделия с требуемыми параметрами и эксплуатационными характеристиками при минимальной сложности и затратности процесса. Но не следует забывать о том, что сварные швы в таких конструкциях могут стать их слабым местом.
Рекомендуем статьи
Также нередко используются технологические процессы, совмещающие протяжку металлических заготовок с отжигом, которые дают возможность уменьшить площадь поперечного сечения и увеличить длину деталей. Подобным образом производят пластическое деформирование, которое позволяет утончать пластины металла.
Сочетая холодную и горячую обработку металлов давлением, добиваются наклепа, приводящего к значительному улучшению прочностных характеристик.
Применение технологий, основанных на обработке металла при помощи давления, позволяет добиваться значительного повышения производительности труда и улучшения эксплуатационных характеристик готовых изделий.
Исторически обработка разогретых металлических заготовок при помощи давления начиналась с ковки. Появлению последней способствовало развитие технологий выплавки металла из руды, что привело к изготовлению прочных и долговечных инструментов, орудий труда и оружия.
Дефекты при обработке металлов давлением
В ходе обработки металлических заготовок давлением возможно появление различных дефектов. При штамповке, ковке и прокатке материал может неоднократно нагреваться, охлаждаться, подвергаться сжиманию и растяжению, работать на излом, что повышает риск внутреннего и внешнего растрескивания, разрушения, формирования уплотнений и пустот и т. д.
Чтобы минимизировать опасность возникновения различных изъянов, необходимо строго соблюдать рекомендованные режимы механической и термической обработки. Если следовать требованиям технологического процесса, исходя из физико-механических свойств конкретных металлов, можно гарантированно получить изделия с высокими эксплуатационными характеристиками.
При обработке листовых металлических заготовок штамповкой велика вероятность возникновения разрывов и утончений. Если первый вид дефектов обычно без труда выявляется при визуальном осмотре, то критическое уменьшение толщины металла в изделиях можно обнаружить, проведя неразрушающие испытания по специальным методикам.
Долговечность и прочность изделий, изготовленных с применением технологий, основанных на глубокой вытяжке, зависят не только от их целостности и отсутствия трещин, но и от наличия зон критического утончения их стенок в местах, подвергшихся наиболее интенсивному деформированию. В ходе эксплуатации такие детали под действием разнонаправленных сил могут разрушаться. Это обстоятельство делает особенно важным автоматизированный контроль толщины стенок в ходе штамповки из листовых заготовок.
Специалисты постоянно работают над совершенствованием методик выявления всевозможных рисок, волосовин, закатов, расслоений, торцевых трещин и прочих изъянов металла изделий, получаемых в результате обработки металлов давлением. С этой целью идет непрекращающаяся работа по созданию более качественных сплавов и оборудования.
Изучение основ обработки металлов давлением – необходимая часть подготовки квалифицированных специалистов. Соблюсти все технологические требования в условиях домашней мастерской практически нереально, а значит, заказывать изделия, требующие описанных в статье операций, следует только у хорошо зарекомендовавших себя крупных производителей.
