«Туга і пластична деформація металів. Способи обробки металів тиском »
Поняття про пружну і пластичну деформації металів
Деформація - зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених до нього навантажень. Розрізняють деформацію пружну (оборотну) і пластичну (необоротну)
Пружною деформацією називають таку, яка зникає після зняття навантажень, тобто тіло відновлює свою первинну форму. Пластична деформація залишається після зняття зовнішньої навантаженні, (тіло не відновлює первинну форму і розміри).
Пластична деформація супроводжується зміщенням однієї частини кристала щодо іншої на відстань, що значно перевищують відстані між атомами в кристалічній решітці металів і сплавів.
Здатність металів і сплавів до пластичної деформації має важливе практичне значення, тому що всі процеси обробки металів тиском засновані на пластичній деформації заготовок.
Величина пластичної деформації не безмежна, за певних її значеннях може починатися руйнування металу.
При пластичної деформації змінюється не тільки форма, але і властивості деформованого металу. У реальному поликристаллическом металі відбувається зміна форм зерен (кристалітів) дроблення окремих зерен, а також орієнтація їх відповідних кристалографічних осей в напрямку течії металу. Переважна орієнтація зерен називається текстурою. Текстура металів обумовлює анізотропію їх механічних, магнітних і електричних властивостей. У загальному випадку анізотропія властивостей металу негативно позначається при подальшій його обробки та експлуатації виробів. У деяких випадках спеціально прагнуть створити максимально текстуровані в певних напрямках для підвищення механічної міцності або магнітно-електричних властивостей.
Сутність холодної та гарячої обробки металів тиском
Залежно від температурно-швидкісних умов деформації розрізняють холодну і гарячу деформацію.
Холодна деформація характеризується зміною форми зерен, які витягуються в напрямку найбільш інтенсивного течії металу. При холодної деформації формозміна супроводжується зміною механічних і фізико-хімічних властивостей металу. Це явище називають зміцненням (наклепом). Зміна механічних властивостей полягає в тому, що при холодній пластичній деформації в міру її збільшення зростають характеристики міцності, а характеристики знижуються. Метал стає більш твердим, але мене пластичним. Зміцнення виникає внаслідок повороту площин ковзання, збільшення спотворень кристалічної решітки в процесі холодного деформування (накопичення дислокацій біля кордону зерен).
Зміна, внесені холодної деформацією в структуру і властивості металу не оборотні. Вони можуть бути усунені, наприклад за допомогою термічної обробки (відпалом).
В цьому випадку відбувається перебудова. при якій за рахунок додаткової теплової енергії, збільшується рухливість атомів і в твердому металі без фазових перетворень з безлічі центрів ростуть новий зерна замінюють собою витягнуті "деформовані зерна".
Явище зародження і зростання, нових равноосной зерен натомість деформованих, витягнутих, що відбувається при певних температурах, називається рекристалізацією. Для чистих металів рекристалізація починається при абсолютній температурі, рівній 0,4 абсолютної температури плавлення металу. Гаряча обробка металів металів тиском проводиться при температурах, які значно перевищують температуру їх рекристалізації, коли швидкість процесу зміцнення, викликаного деформацією. При цьому мікроструктура металу після обробки тиском виявляється равноосной, без слідів зміцнення. Зерна в металі виходять тим дрібніше, чим більше ступінь деформації.
Перед гарячої обробкою тиском метали і стали нагрівають до певної температури (початок гарячої обробки тиском) для підвищення їх пластичності і зменшення опору деформації. Однак в процесі обробки температура металу знижується. Мінімальна температура, при якій можна проводити обробку, називається температурою закінчення обробки тиском. Область температури між початком і закінченням, в якій метал або сплав має найкращу пластичністю, найменшою схильністю до зростання зерна і мінімальним опором деформації, називають температурним інтервалів гарячої обробки тиском.
При цьому температура нагріву металу вибирається такий, щоб не виникло, перепалив або перегрів. Перепалив, характеризується окисленням металу на кордоні зерен, в результаті чого він стає крихким і при ударі руйнується. Перегрів супроводжується різким зростанням розмірів зерен, внаслідок чого погіршуються механічні властивості.
Кожен метал і сплав має свій строго певний температурний інтервал гарячої обробки тиском. Наприклад, алюмінієвий сплав АК4 - 470-350С; мідний сплав БрАЖМц - 900-750С; титановий сплав ВТ8 -1100-900С; сталь 45 - 1200-750С.
Заготівля повинна бути рівномірно нагріта по всьому об'єму до необхідної температури. Нагрівання здійснюється в різних печах і нагрівальних пристроях. Вибір способу нагріву заготовок визначається техніко-економічних міркуваннями.
Способи обробки металів тиском
Обробка металів тиском дає можливість отримати виріб, який отримує остаточну форму після додаткової обробки, або готовий виріб, не потребує подальшій зміні розмірів. Обробка тиском забезпечує масове виробництво деталей однакового розміру з мінімальними витратами часу і праці. Цей вид обробки має ряд істотних переваг перед іншими способами щодо продуктивності і економії металу, оскільки в результаті однократного прикладення зусилля можна значно змінити форму і розміри деформованої заготовки. Крім того. пластична деформація супроводжується зміною фізико-механічних властивостей металу, заготовки, що можна використовувати для отримання деталей з найкращими експлуатаційними властивостями (міцністю, жорсткістю, високу зносостійкість і т.д.) при найменшій їх масі.
Наприклад: при обробці різанням за одну годину роботи револьверного верстата можна отримати 20 болтів (без різьби) діаметром 12 мм і довжиною 25 мм, на четирехшпіндельном автоматі можна отримати 80 таких же верстатів. Болтовисадочная кувальна машина за годину дає 4200 штук таких же болтів.
При сучасних методах холодного штампування, карбування, калібрування, а також холодної висадки можна отримати заготовки, майже не потребують обробки різанням.
До основних способів обробки металів тиском відносяться процеси прокатки, волочіння, пресування (видавлювання), вільного кування, гарячої та холодної об'ємної штамповки, а також листової або холодного штампування.
Сутність процесу прокатки полягає в деформуванні (обтисненні) металу між обертовими валками, зазор між якими менше товщини обжимаються заготовки.
В результаті обтиску поперечний переріз заготовки зменшується, а довжина і ширина збільшується. Деформацію заготовки зазвичай визначають відносним обтисненням,%.
де - висота заготовки.
Практика проводиться гладкими циліндричними волоками і волоками, що мають на своїй поверхні особливі проточки, звані струмками. При щільному зіткненні волоків їх струмки утворюють закриті системи, звані калібрами. Комплект практичних волоків із станиною називають робочої кліттю.
Практика гладкими волоками дає листи і стрічки, а струмків волоками - різні прокатні профілі.
Зазвичай відносне обтиснення заготовки за один прохід не перевищує навіть для гарячого металу 70 - 30%, тому остаточний профіль продукту виходить багаторазовим процесом повторення обробки заготовки при поступовому зменшенні зазору між волоками. При кожному пропуску заготовки площа її поперечного перерізу зменшується, а форма і розміри поступово наближаються до необхідних.
При гарячої прокатки стали гладкими волоками кут захоплення дорівнює 15-24 °, при холодній - 3-8 °, сортового металу 25-27 °.
Технологічний процес сучасного прокатного виробництва, не залежно від виду одержуваної продукції, складається з декількох етапів: підготовки вихідного матеріалу, нагрівання його (в разі гарячої прокатки), прокатки і обробки. Крім того, на всіх стадіях прокатки здійснюється контроль за ходом процесу і станом обладнання.
При волочінні заготовку простягають через поступово звужується отвір в інструменті, зване волокою. При цьому перетин отвору менше вихідного перерізу заготовки.
Мал. 2. Волочіння
В результаті волочіння поперечний переріз заготовки зменшується, а довжина збільшується.
Процес волочіння здійснюється в холодному стані і використовується для отримання тонкого дроту (від 0.002 до 5 мм), каліброваних продуктів різного профілю і тонкостінних труб. При це отримують виріб точних розмірів, заданої геометричної форми, з чистою і гладкою поверхнею.
Заготовками можуть служити прокат (катаная дріт, прутки, труби), а так само пресовані профілі (прутки, труби). Остаточні розміри виробів забезпечуються протягуванням (волочінням заготовки) через кілька послідовно розташованих волок, так як ступінь обтиску матеріалу за один прохід порівняно невелика. Волока (фильер, вічко) виготовляються з інструментальної сталі (У7, У12, Х12М), металокерамічних сплавів (ВК3, ВК6) або технічного алмаза.
Технологічний процес волочіння складається з 3 основних стадій:
1. підготовка металу (очищення від окалини, змазування, закладення кінців);
2. волочіння по певному режиму;
3. обробки (видалення дефектів, правка, розрізання на мірні довжини, маркування, консерваційні змазування і ін.).
Мал. 3. Приклади профілів, одержуваних волочінням і т. Д.
Пресування - це процес видавлювання металу, укладеного в замкнутій площині контейнера, через отвір матриці. перетин якого менше площі перетину контейнера, а форма відповідає формі готового виробу.
Мал. 4. Схема пресування полого профілю. 1 - пуансон; 2 - метал заготовки; 3 - матриця; 4 - голка; 5 - прес-шайба;
Процес пресування здійснюється при температурах гарячої обробки металів тиском, тобто при їх високої пластичності.
Пресуванню піддають алюміній. мідь і сплави на їх основі, цинк, олово, свинець. Пресуванням отримують різноманітні профілі (див. Рис.) Зі спеціальних сталей, титанових сплавів і інших малопластичних металів; профілі складної форми, які не можуть бути отримані іншим способом; звичайні профілі невеликих розмірів (наприклад, труби з кольорових металів).
При пресуванні метал піддається всебічному нерівномірного стиску і тому має досить високу пластичність.
Прутки діаметром 3-250мм; труби діаметром 20-400мм зі стінкою 1,5-12, профілі суцільні, порожнисті, з постійними і змінними
Вихідною заготівлею для пресування служить злиток, або прокат круглого перетину. Пресування проводиться на горизонтальних або вертикальних гідравлічних пресах.
Процес пресування високопроізводітелен і забезпечує високу точність профілю одержуваних виробів. Проста заміна інструменту - матриці - дозволяє легко переходити до виготовлення виробу іншого виду.
Особливі вимоги при пресуванні пред'являються до інструменту (матрицями. Прессшайбою, пуансонах) працює в умовах високих температур і великих навантажень. Зазвичай цей інструмент виготовляють з високолегованих сталей і сплавів, що містять вольфрам. ванадій. молібден. хром. і інші елементи.
Метод пресування в силу складності устаткування і високу вартість інструменту застосовуються головним чином в умовах масового виробництва складних профілів.
До недоліків пресування слід віднести великі відходи металу, тому що весь метал не може бути видавлений з контейнера.
Кування - вид гарячої обробки металів тиском, при якому метал деформується за допомогою універсального інструменту. Нагріту заготовку укладають на плоский бойок і верхнім бойком послідовно деформують окремі її ділянки. Метал вільно тече в сторони, не обмежені робочими поверхнями інструменту, в якості якого застосовують плоскі або фігурні (вирізні бойки, а також різний підкладковий інструмент).
Куванням отримують заготовки для подальшої механічної обробки. Їх називають поковками.
В одиничному і дрібно серійному виробництвах кування економічно більш доцільна, ніж штампування, тому що при куванні використовується універсальний інструмент.
До основних формотворчим операцій належать: осаду, висадка, протягання, прошивка, отрубка, гнучка.
Осадка - операція зменшення висоти заготовки при збільшенні площі її поперечного перерізу.
Висадка - метал осаджується лише на частині довжини заготовки.
Протяжка - операція подовження заготівлі або її частини за рахунок зменшення площі поперечного перерізу.
Прошивка - операція отримання порожнин у заготівлі за рахунок витіснення металу.
Отрубка - операція відділення частини заготівлі по незамкнутому контуру шляхом впровадження в заготівлю деформованого інструменту.
Гнучка - операція додання заготівлі прогнути форми по заданому контуру.
Основи технології найважливіших галузей промисловості: У 2 ч. Ч.1: Учеб. посібник для вузів / І.В. Ченцов, І.А.