Виготовлення виробів тиском

Виливки, отримані розливанням металів і сплавів у виливниці та на машинах безперервного розливання, подають на оброблен­ня тиском. Під дією зовнішніх сил виливки зазнають деформації, унаслідок якої змінюються їх форма і розміри.

Тиском виготовляють вироби (заготівки і деталі) з металів, сплавів та інших конструкційних матеріалів. Цей вид оброблен­ня конструкційних матеріалів використовують дуже давно і його можливості ще далеко не вичерпані. Основними способами об­роблення конструкційних матеріалів тиском є вальцювання, вільне кування, штампування, пресування та волочіння.

Обробку матеріалів стисненням здійснюють в холодному та гарячому стані. У процесі гарячої деформації (заготівка нагріта до певної температури) пластичність металів більша, ніж у про­цесі холодної, тому гаряча деформація супроводжується менши­ми затратами енергії, ніж холодна.

Нагрівання заготівок перед обробленням тиском впливає на якість і вартість продукції. Основні вимоги до нагрівання за­готівок: рівномірне прогрівання її до певної температури за мінімальний час з найменшою втратою металу на утворення ока­лини (оксидних плівок) й економною витратою палива та елект­роенергії. Недотримання цих вимог спричинює в заготівці дефек­ти (тріщини, зневуглецьовування, окиснення, перегрівання, пере­палення) і зростають затрати.

Нагрівання сталевих заготівок. До температури 727 °С ста­леві заготівки нагрівають повільно, витримують за цієї темпера­тури певний час, а потім швидко нагрівають до кінцевої темпера­тури. Повільне нагрівання на початку дає можливість уникнути утворення тріщин за температур холодноломкості (200...400) °С і фазових перетворень (727...820) °С. Час нагрівання залежить від розмірів заготівки та способу нагрівання. Чим триваліше нагрі­вання, тим товстіший шар оксидної плівки (окалини) утвориться на заготівці. А це втрати металу. Крім того, окалина сприяє

швидкому спрацюванню інструменту, оскільки твердість окали­ни значно перевищує твердість нагрітої сталі.

У процесі нагріваня сталевих заготівок одночасно з окиснен-ням має місце зневуглецьовування приповерхневого шару (виго­ряння вуглецю) на глибину до (1,5...2) мм. Зневуглецьовування приповерхневого шару змінює властивості сталевих заготівок.

Для нагрівання заготівок використовують печі (полуменеві, електричні), індукційне та контактне нагрівання. Джерелом тепло­вої енергії в полуменевих печах є паливо (мазут, природний, кок­совий, домновий та інші гази або їх суміші). Якщо для згоряння палива беруть надлишок повітря, то до складу пічних газів вхо­дить кисень. Таку атмосферу називають окиснюючою. Нагрівання заготівок у такій атмосфері призводить до окиснення сталевих за­готівок і відповідно до значних втрат металу (0,5...2)%. Щоб уник­нути окиснення, заготівки нагрівають в атмосфері, яка утво­рюється за неповного згорання палива, тобто за недостачі повітря, а разом з ними і кисню. Це означає, що до складу паливної суміші входить лише 50% теоретично обчисленої кількості повітря. За та­ких умов згоряння палива в атмосфері печі утворюються відновні гази СО і Н2, які запобігають окисненню сталевих заготівок.

В електропечах заготівки нагрівають теплотою, яка виділя­ється в процесі проходження електричного струму в нагрівниках, що мають великий опір.

Для повнішого використання теплоти пічних газів печі облад­нанні теплообмінниками — рекуператорами та регенераторами, за допомогою яких використовують теплоту вихідних газів для підігрівання повітря ті газового палива.

Кожна піч оснащена допоміжними механізмами для закри­вання та откривання дверей, пристроями для завантаження та розвантаження великих заготівок. Сучасні печі обладнані різни­ми приладами й автоматичними системами регулювання темпе­ратури, завдяки чому поліпшується якість нагрітих заготівок, зменшуються витрати палива, збільшується продуктивність пе­чей і поліпшуються умови праці.

Прогресивним методом нагрівання заготівок перед оброб­ленням тиском у масовому виробництві є індукційне та контакт­не нагрівання. Ці способи нагрівання заготівок найчастіше вико­ристовують у ковальських цехах.

В процесі індукційного нагрівання заготівка рухається всере­дині індуктора, виготовленого з мідної трубки у вигляді котушки.

У трубці-індукторі циркулює вода для його охолодження. Індук­тор підімкнено до джерела струму промислової або збільшеної ча­стоти. Навколо витків індуктора виникає змінне магнітне поле. Якщо в індуктор помістити сталеву заготівку, то під впливом змінного магнітного поля в ній виникнуть вихрові струми, які швидко нагріють метал до потрібної температури. Для нагріван­ня 1 кг металу витрачається (0,4...0,5) кВт * год. електроенергії.

У процесі контактного нагрівання заготівку затискають між мідними контактами і пропускають через неї змінний струм си­лою десятки тисяч Ампер, напругою (2... 15) В від трансформато­ра. Контактне електронагрівання доцільно застосовувати для сталевих заготівок, діаметр яких ие перевищує 60 мм. Для товстіших заготівок потрібний струм більшої сили.

Вальцювання. Після розливання металів і сплавів у виливниці чи на машинах безперервного розливання отримані заготівки на­ходять на вальцювання, яке є найпоширенішим видом оброблен­ня тиском металів, сплавів та інших конструкційних матеріалів. Обтискують заготівки обертовими валками вальцівні. Виріб, що отриманий вальцюванням, називають вальцівкою (прокатом).

Відстань між валками вальцівні називають зазором. Він завжди менший за товщину заготівки. В процесі обтискання тов­щина заготівки зменшується, а довжина та ширина збільшуються.

У початковий момент, коли заготівка торкається валків вальцівні, виникають сили тиску (Ft.) і тертя (Бтер.) (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Схеми вальцювання: а — поздовжнє; б — поперечне;

в — поперечно-гвинтове

Розкладемо ці сили на складові і проаналізуємо: складова си­ли тиску Р буде виштовхувати заготівку з-між валків вальцівні; складова сили тертя R навпаки втягуватиме її в зазір між валками.

Для здійснення процесу вальцювання необхідно, щоб гори­зонтальна складова сили тертя R перевищувала горизонтальну складову сили виштовхування Р, тобто має виконуватися нерівність R > Р. Чим більшою є горизонтальна складова сили тертя R, тим з більшою силою захопиться заготівка валками вальцівні. Потрібне співвідношення сил досягається відповідним вибором кута захоплення а (а — центральний кут, який відпо­відає дузі дотику заготівки до валка), який залежить від різних чинників і змінюється в межах (5...30)°. Кут захоплення встанов­люють підніманням або опусканням верхнього валка.

Абсолютним обтисканням заготівки називають різницю між початковою товщиною заготівки та її товщиною після разового обтискання валками

За допомогою простих розрахунків можна знайти, що обтискання заготівки

збільшується із збільшенням діаметра вальців

(D) і величини (1 - cos a):

Отже, із збільшенням діаметра вальців і кута захоплення збільшується обтискання заготівки і відповідно збільшується продуктивність вальцівні. Одноразове обтискання заготівки вал­ками не перевищує (70...80)%. Після кожного проходження за­готівки між валками зазір зменшують. Остаточного розміру за­готівка набуває лише після багаторазового обтискання валками.

Види вальцювання. На практиці застосовують такі основні види вальцювання: повздовжнє, поперечне та поперечно-гвинто­ве (рис. 5.15).

При поздовжньому вальцюванні (рис. 5.15) валки 1 оберта­ються назустріч один одному, а заготівка 2 рухається перпендику­лярно до осей валків. Товщина (висота) заготівки зменшується, а довжина та ширина збільшується. Це найпоширеніший вид валь­цювання. Близько 90% усієї продукції отримують цим способом.

У процесі поперечного вальцювання (рис. 5.15) валки 1 оберта­ються в одному напрямі, а заготівка 2, яка обтискається з ними, — У протилежному. Так виготовляють, наприклад, трибові колеса.

Поперечно-гвинтове вальцювання (рис. 5.15) характери­зується розташуванням валків 1 під кутом один до одного. Валки обертаються в одному напрямі й надають заготівці 2 одночасно обертального та поступального руху. У результаті додавання Цих рухів заготівка переміщується по гвинтовій лінії.

Поперечне та поперечно-гвинтове вальцювання використову­ють для виготовлення безшовних труб, куль для млинів тощо.

Вальцівня складається з робочої машини та привода. Робоча машина має одну або кілька клітей. Кожна кліть складається з комплекту валків, установлених між парою станин. Привод скла­дається з двигуна та передавальних механізмів.

Вальцівні класифікують за призначенням, кількістю та розміщенням валків у клітях, взаємним розміщенням клітей.

1. За призначеням (за видом продукції, яку виробляють) валь­цівні поділяють на дві групи. До першої належать вальцівні, на яких виготовляють заготівки, що потребують подальшого об­роблення — блюмінги (англ. "blooming" від "bloom" — заготівка квадратного перерізу), слябінги (англ. "slabbing" від "slab" — пли­та) та заготівельні вальцівні. На блюмінгах одержують заготівки квадратної форми, на слябінгах — прямокутної. Друга група обє'днує вальцівні, на яких виготовляють готову продукцію, — сортові, листові, трубні та вальцівки спеціального призначення.

2. За кількістю та розміщенням валків у клітях. У кожній кліті може бути два, три або більше валків, розташованих горизонталь­но, вертикально, горизонтально та вертикально, під кутом один до одного тощо. Якщо валки в кліті розміщені горизонтальн, то на таких вальцівнях виготовляють сортові та фасонні вироби. Так, на дво- та тривалкових вальцівнях виготовляють товсті листи. Тонкі листи виготовляють на чотиривалкових вальцівнях. Для холодно­го вальцювання тонких листів і стрічки використовують багато-валкові вальцівні. Кліті, у яких валки розміщені вертикально, при­значені для обтискання бічних поверхонь заготівки, яку вальцю­ють. Такі кліті застосовують звичайно в поєднанні з клітями, які мають горизонтальні валки. Кліті, в яких валки розміщені під ку­том, призначені для поперечно-гвинтового вальцювання. їх засто­совують у виробництві безшовних труб, куль та інших виробів.

Термічну обробку виробів проводять для надання їм міцнос­ті, пластичності, в'язкості. Термічна обробка складається з нор-малізаційного відпалювання, гартування та відпускання. Прав­лення проводять для надання виробам відповідної форми.

На вальцівнях отримують готові вироби та заготівки для по­дальшого оброблення куванням, штампуванням, пресуванням, волочінням або різанням.

Продукцію, отриману вальцюванням класифікують за сорта­ментом (профілями та розмірами) і якістю. Профілем вальцівки

називають форму її поперечного перерізу. Сукупність різних профілів і розмірів становить сортамент вальцівок. Увесь сорта­мент вальцівок можна поділити на чотири групи: сортові, лис­тові, трубові, спеціальні.

Сортові вальцівки використовують для виготовлення машин, верстатів і різних конструкцій. На рис. 5.16 показано деякі види сортових вальцівок загального та спеціального призначення.

Рис. 5.16. Деякі види сортових вальцівок загального та спеціально­го призначення: 1 — квадратна; 2 — кругова; 3 — штабова; 4 — кутикова; 5 — двотаврова; б — швелерова; 7 — таврова;

8 — рейкова; 9 — зетова

Прикладом вальцівок загального призначення є квадратова, кругова, штабова, кутникова тощо. До вальцівок спеціального призначення належать рейкова, а також вальцівки, які викорис­товують в авто-, тракторо-, вагонобудуванні та будівництві. Сортові вальцівки отримують за допомогою валків, поверхня яких має заглиблення, що відповідає формі потрібної вальцівки. Листові вальцівки поділяють на товсті, тонкі та фольгу. Тонкі листи мають товщину до 4 мм. Листи, товщина яких перевищує 4 мм, належать до товстих.

Труби залежно від технології отримання поділяють на без­шовні та зварні. Безшовні труби виробляють у два заходи: спо­чатку виготовляють гільзу, потім трубу (рис. 5.16). Зварні труби виготовляють із металевих листів за допомогою різних способів зварювання. Ці труби дешеві порівняно з безшовними, але в зоні шва мають гірші механічні властивості та корозієстійкість.

Куванням називають спосіб виготовлення виробу деформу­ванням нагрітої заготівки під-дією молота або преса. У процесі кування метал вільно переміщується від центра до країв за­готівки, тому кування називають вільним (рис. 5.17, а).

Рис. 5.17. Схеми способів виготовлення виробів тиском:

а — кування; б — об 'ємне штампування;

в — листове штампування (1 — заготівка)

Виріб, виготовлений куванням, називають поківкою, а цех, в якому її виготовляють — ковальським.

Для виготовлення поковок використовують продукцію ли­варних і вальцювальних цехів. Кування застосовують в одинич­ному та малосерійному виробництві. Готові поківки мають різні форму та масу: від кількох грамів до 300 т і більше.

У більшості випадків поківки є заготівками, з яких різанням виготовляють деталі машин. Вони мають великий припуск на об­роблення.

В процесі виготовлення поківок відходи становлять (25...30)% маси заготівки, із них (2...3)% — це окалина, яка утво­рилася за одне нагрівання заготівки. Чим складніша форма за­готівки, тим більше разів її нагрівають.

Вільне кування проводять ручним і машинним способом. Інструментами в процесі кування є ковадло, молоти, сокири, об­тискачі, прошивки тощо.

Технологічний процес кування складається з окремих опе­рацій, основними з яких є протягування, осаджуваня, згинання, рубання та ін.

Протягування застосовують для збільшення довжини за­готівки. При цьому зменшуються її поперечні розміри. У процесі протягування заготівка витягується й дещо розширюється.

У процесі осаджування зменшується висота заготівки та збільшуються її поперечні розміри. Осаджування лежить в основі виготовлення дисків, фланців тощо.

Згинанням виготовляють гаки, скоби, якорі тощо. Під час цієї операції заготівку згинають під необхідним кутом. Місце згинан­ня нагрівають.

Рубанням заготівку поділяють на частини. У процесі рубання використовують прямі та фасонні сокири.

Дрібні та середні поківки масою до 1 т виготовляють у ко­вальсько-пресових цехах за допомогою пресів. У процесі виго­товлення поківок є значні втрати металу: чим складніша за фор­мою поківка, тим більші втрати металу.

Штампуванням називають спосіб виготовлення виробів за допомогою спеціальних форм-штампів. Кожний штамп призна­чений для отримання виробів лише певної форми та розміру. Виріб, отриманий штампуванням, називають штампівкою. За­готівки перед штампуванням можуть бути нагрітими до певної температури обо ні. Залежно від цього штампування називають гарячим або холодним. Залежно від форми заготівки штапуван-ня буває об'ємне та листове.

Об'ємне штампування проводять у штампах, які складаються з двох частин: верхньої та нижньої. У процесі об'ємного штампу­вання метал переміщається від центра заготівки до країв, обме­жених стінками порожнини штампа (рис. 5.17). Внутрішня по­рожнина штампа є відбитком зовнішньої форми виробу, який треба виготовити.

Порівняно з вільним куванням об'ємне штампування має такі переваги: невеликі вимоги до фаховості працівників; отримані

І вироби (штампівки) мають менший припуск на оброблення різанням (у 3...4 рази); точніша форма штампівок; вища продук­тивність (у 50... 100 разів) тощо. Недоліками об'ємного штампування є обмеженність маси штампівок (0,3... 100 кг, у деяких випадках — до 1,5 т); кожна но­ва штампівка потребує виготовлення нового штампа (вартість штампів дуже велика і вони придатні лише для данного виробу-штампівки).

Технологічний процес об'ємного штампування складається з таких операцій:

• різання вальцівок на заготівки певного розміру та маси;

• нагрівання заготівок;

• штампування нагрітих заготівок;

• обрізування зайвого металу (облоїв);

• правлення штампівок;

• термічна обробка;

• очищення поверхонь штампівок від окалини тощо.

Листовим штампуванням виготовляють плоскі й об'ємні тон­костінні вироби з листів за допомогою штампів (рис. 5.17). Штампи складаються з матриці та пуансона, які деформують за­готівку: матриця надає заготівці зовнішньої форми, пуансон — внутрішньої.

Листове штампування може бути гарячим і холодним. Найпо­ширеніше холодне штампування з металевих листів товщиною (0,1...5) мм. Вироби, товщина стінок яких перевищує 5 мм, одер­жують гарячим штампуванням.

Листове штампування — економічний і продуктивний спосіб виготовлення як простих, так і складних за формою виробів.

Листовим штампуванням виготовляють деталі велосипедів, автомобілів, мотоциклів, рами та кузови автомобілів, деталі при­ладів, літаків, вагонів тощо.

Основний недолік листового штампування — значні відходи (до 40%).

1. Волочіння. Волочінням називають спосіб виготовлення ви­робів протягуванням заготівки через спеціальний отвір.

Інструмент, з декількох отворів, називають волочильною до­шкою, волокою або матрицею. Волоки виготовляють з інстру­ментальної сталі, твердих сплавів і технічних алмазів. Для змен­шення тертя в отворі волоки заготівку змащують мінеральними мастилами, графітом або іншими речовинами. Змащування змен­шує витрати енергії та шорсткість поверхні виробу. На рис. 5.18.а схематично зображено процес волочіння: загострену заготівку 2 протягують через отвір волоки 1 і одержують виріб 3.

Виріб, отриманий волочінням, називають волочівкою. Во­лочінням винотовляють тонкий дріт (діаметром 16...0,002 мм), прутки різного профілю та труби з товщиною стінки (0,05... 15) мм. Вироби, виготовлені волочінням, мають велику точність розмірів, а поверхня — малу шорсткість. У процесі во­лочіння заготівка може бути гарячою або холодною.

У ході холодного волочіння кінець заготівки загострюють, щоб він вільно пройшов через отвір волоки, і захоплюють кліща­ми волочильні. Внаслідок тертя, яке виникає під час проходжен­ня металевої заготівки через отвір, отриманий дріт наклепується, структура стає волокнистою. Щоб позбутися наклепу дріт відпа­люють.

У ході гарячого волочіння, яке проводять дуже рідко, заго­тівку попердньо відпалюють для отримання дрібнокристалітної структури металу та підвищення його пластичності, потім очи­щають від окалини в розчині сірчаної кислоти та промивають у нейтралізуючому розчині.

Рис. 5.18. Схеми способів виготовлення виробів тиском: а — волочіння, б — пресування.

Швидкість волочіння залежить від температури нагрівані заготівки та діаметра виробу. Наприклад, якщо діаметр заготі

ки дорівнює 6 мм, то швидкість волочіння становитиме

якщо діаметр 2 мм, то швидкість волочіння —

Швидкість виготовлення труб і прутків значно менша.

2. Пресування. Пресуванням називають спосіб виготовлення виробів витисканням заготівки із замкненої порожнини (контей­нера) через отвір у матриці.

У процесі пресування (рис. 5.18, б) конструкційний матеріал (заготівка) переміщується лише в напрямі отвору. Отвори мо­жуть мати різну форму. У процесі пресування отримують вироби, поперечний переріз яких відповідає формі отвору. Виріб, отрима­ний пресуванням, називають пресівкою.

Пресуваням виготовляють дріт з найменшим діаметром 5 мм, прутки діаметром (5...250) мм, труби із зовнішнім діаметром (200...400) мм і найменшою товщиною стінки 1,25 мм та інші ви­роби. Пресуванням виготовляють вироби з міді, алюмінію, цин­ку, свинцю, магнію та їх сплавів, а також із сталі. Заготівки з більшості металів і сплавів перед пресуванням нагрівають.

Пресування є двох видів — однобічне та зустрічне.

У ході однобічного пресування (рис. 5.18) напрями руху (пе­реміщення) заготівки та пуансона збігаються. Нагріту заготівку 1 закладають у контейнер 2, куди вкладають також прес-шайбу 3. Пуансон 4 тисне на прейс-шайбу, внаслідок чого метал заготівки витискається через отвір матриці 5 у вигляді прутка (виробу) 6. Витиснути з контейнера весь метал не вдається. У ньому зали­шається (8... 12)% маси заготівки. Однобічним пресуванням виго­товляють труби і дріт.

У ході зустрічного пресування матриця поєднана з прес-шай-бою.

У процесі пресування заготівка залишається нерухомою, пе­реміщується матриця. Метал заготівки витискається назустріч руху матриці. Зустрічне пресування потребує менших зусиль, ніж однобічне. Крім того, у контейнері залишається невикористаним менший залишк металу (6... 10)%, ніж у процесі прямого. Цим способом пресують труби та дріт.

Змінюючи матрицю, можна легко перейти від виготовлення виробів одного профілю до виготовлення іншого профілю. Тому малі серії виробів з одним профілем економічніше виготовляти пресуванням, ніж вальцюванням.