Обработка материалов давлением (стр. 1 из 3)
Лабораторная работа №8
Обработка материалов давлением
Цель работы
Ознакомиться с назначением, областями применения и основными технологическими показателями процессов обработки металлов (материалов) давлением. Получить представление о важнейших закономерностях, применяемом оборудовании и технологических особенностях различных видов обработки.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Студенты должны изучить методический материал лабораторной работы. Ознакомиться с физическими основами обработки материалов давлением, назначением и особенностями этих технологий. Получить представление о существующем оборудовании.
Теоретическая справка
Обработкой материалов давлением называется процесс воздействия на них внешних сил, под влиянием которых материал (металл) в результате остаточных деформаций меняет свою форму в желаемом направлении без разрушения. Одновременно происходит изменение структуры материала и его механических и физических свойств.
Такое необратимое изменение формы называется пластической деформацией.
На пластичность металлов оказывает влияние: температура, химический состав, структура, скорость деформации и другие факторы.
Температура. Деформация металла при температурах ниже 0,3 абсолютной температуры плавления называется холодной, а при температурах 0,65 – 0,75 абсолютной температуры плавления – горячей.
При деформировании в холодном состоянии механические и физико-химические свойства металла непрерывно изменяются: твердость, прочность и хрупкость его непрерывно увеличиваются, а пластичность, вязкость, коррозионная стойкость и электропроводность уменьшаются. Это изменение свойств, связанное с деформацией в холодном состоянии, называют наклепом, а металл с деформированной в процессе обработки давлением микроструктурой называют наклепанным.
При нагревании металл постепенно переходит из неустойчивого состояния наклепа в устойчивое равновесное состояние, причем этот процесс сопровождается изменением в структуре и свойствах металла. В начале нагревания в наклепанном слое уменьшаются твердость и прочность, возрастает пластичность. Этот процесс называют возвратом металла. При дальнейшем нагреве из обломков деформированных зерен возникают новые зерна, имеющие неискаженную кристаллическую решетку. Процесс образования новых зерен называют рекристаллизацией.
Химический состав. С увеличением в стали содержания углерода, фосфора и серы, марганца и кремния пластичность уменьшается, а при увеличении в ней никеля и ванадия – увеличивается. Различную пластичность имеют и различные металлы.
Скорость деформации. С увеличением скорости деформации сопротивление металла деформированию увеличивается. При скоростях деформации больше предельно допустимых происходит разрушение деформируемого металла.
Температурные интервалы. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет свой верхний и нижний пределы, образующие область нагрева, называемую температурным интервалом обработки. При температуре выше верхнего предела происходит пережог металла, он становится годен только на переплавку; при температурах ниже нижнего предела имеет место наклеп.
Нагревательные устройства. Нагрев металла для горячей обработки производится в горнах, пламенных и электрических печах с помощью контактных и индукционных нагревателей.
Горн является простейшим нагревательным устройством и применяется главным образом при ручной ковке.
В зависимости от характера температур в рабочем пространстве печи делятся на камерные и методические. В камерных печах температура одинакова на всем рабочем пространстве. В методических печах нагрев заготовок осуществляется постепенно, по заданному режиму.
Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка представляют собой различные виды обработки металлов давлением в пластическом состоянии.
Прокатка металлов
Прокаткой называется вид обработки давлением, при котором процесс деформации металла осуществляется сдавливанием его между вращающимися цилиндрами (валками). При прокатке сдавливаемый металл вытягивается в продольном направлении, сжимаясь в вертикальном и уширяясь в поперечном направлении. Окончательный размер и форма поперечного сечения, полученного прокаткой изделия, определяются профилем отверстия между сжимающими металл валками. Существуют три основных способа прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (косая).
Прокаткой обрабатывается сталь, цветные металлы и их сплавы.
При продольной прокатке деформирование заготовки осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис.1).
Непрерывное втягивание металла в щель между вращающимися валками и изменение размеров полосы обеспечивается наличием контактного трения между обрабатываемой полосой и рабочей поверхностью валков.
Рис.1. Схема процесса продольной прокатки
1,3 – валки; 2 – заготовка.
Из простейшей схемы поперечной прокатки видно, что оси прокатных валков 1 и 3 обрабатываемой заготовки 2 параллельны (или пересекаются под небольшим углом) (рис.2). Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.
Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечиваются соответствующей профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят изделия, представляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни и др.).
Рис.2. Схема процесса поперечной прокатки
1,3 – валки; 2 – заготовка
Поперечно-винтовая или косая прокатка выполняется во вращающихся в одном направлении валках, установленных в прокатной клети под некоторым углом друг к другу (рис.3). Способ используется при производстве труб, главным образом для прошивки слитка или заготовки в гильзу. В момент соприкосновения металла с вращающимися валками, имеющими наклон к оси заготовки, возникают силы, направленные вдоль оси заготовки, и силы, направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил обеспечивает вращение, втягивание обрабатываемой заготовки в суживающуюся щель и деформирование.
Рис.3. Схема процесса косой прокатки
Прокатка производится на специальных машинах – прокатных станах, устройство которых зависит от вида прокатываемых изделий и их размеров. Прокатные станы классифицируются:
- по числу валков ( два валка – дуостаны; три валка – триостаны и т.д.);
- по направлению вращения валков (постоянное или переменное);
- по конструкции валков ( гладкие или ручьевые);
- по назначению (обжимные, черновые, сортовые, листовые и др.);
- по размеру (мелкосортные, средне и крупносортные).
Прокатные станы по характеру выпускаемой продукции разделяются на обжимные, сортовые, листопрокатные, трубопрокатные, периодического проката, определенного назначения.
Обжимные станы служат для подготовки слитков к последующей их обработке давлением. Эти станы разделяются на блюминги и слябинги. Первые – это реверсивные мощные двухвалковые или трехвалковые станы, служащие для подготовки из слитков стальных заготовок (блюмов) для последующего проката сортовых материалов. В процессе прокатки кусок металла должен переворачиваться.
Слябинги служат для проката из слитков стали листовых заготовок (слябов) толщиной 75 – 300 мм и шириной 400 – 1600 мм.
Сортовые станы служат для получения металлических полос, прутков и балок с различными профилями поперечных сечений.
Холодная прокатка и волочение.
Холодную прокатку применяют для получения тонких изделий: листов малой толщины, стальных полос и др. Холодную прокатку обычно производят на реверсивных и непрерывных станах, валки которых должны быть закаленными, а поверхность совершенно гладкой. В процессе прокатки металл наклепывается; для устранения наклепа металл подвергается отжигу.
Волочением называется особый вид обработки металлов давлением, при котором обрабатываемый металл, обычно в холодном состоянии, протягивается через отверстие волочильной доски - глазок специального инструмента (рис.4). Если глазки выполнены вставными, то они называются фильерами. Сечение отверстия меньше сечения протягиваемой заготовки. Волочением получают проволоку с минимальным диаметром 0,002 мм, прутки диаметром до 100 мм, причем не только круглого сечения, трубы (обычно небольшого диаметра и с тонкой стенкой). Изделия, получаемые волочением, обладают высоким качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения. Если изделию требуется придать в основном эти характеристики, то такой вид обработки называют калибровкой.
Рис.4. Схема процесса волочения
Прессование металла.
Процесс прессования представляет собой выдавливание металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие матрицы (Рис.5).
Рис. 5. Схема прессования деталей прямым (а) и обратным (б) способом
1 – матрица; 2 – приемник.
Прессование выполняется в условиях наиболее благоприятной схемы напряженного состояния – неравномерного трехосного сжатия. Поэтому данным способом обрабатывают металлы, деформирование которых другими способами из-за низких природных пластических свойств не представляется возможным. Однако прессованием получают изделия и из металлов с высокими пластическими свойствами, что объясняется рядом преимуществ данного вида обработки.