Основы технологии обработки металлов давлением

Введение

Деформация – это изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Эти силы обычно не перпендикулярны той площадке, к которой они прикладываются. В результате в теле возникают нормальные и касательные напряжения. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (равной половине напряжения, соответствующего пределу текучести) деформация становится необратимой. Если нагрузку снять, устранится лишь упругая деформация. Часть деформации, которая называется пластической, остается.
Обработка металлов давлением – это технологические процессы, в результате которых изменяется форма металлической заготовки без нарушения ее сплошности за счет относительного смещения отдельных ее частей, т.е. путем пластической деформации. При обработке металла давлением изменяется не только форма заготовки, но и происходит процесс, который влияет на структуру металла, а, следовательно, и на его механические свойства.
Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов и сплавов.


1. Холодная и горячая деформация
В зависимости от отношения температуры деформации к температуре рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.
Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.
Холодная пластическая деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. Это формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств: возрастает значение прочности с одновременным снижением пластичности (это явление называется наклеп).
При неполной горячей пластической деформации одновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации – зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. В микроструктуре наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и некристаллизованнные (вытянутые) зерна металла.
После горячей пластической деформации происходит вытягивание и ориентация кристаллов в направлении наиболее интенсивного течения материала, в результате чего образуется вторичная волокнистая структура. Такая микроструктура является устойчивой и не может быть разрушена ни термической, ни последующей обработкой давлением. Обработкой давлением можно изменить только направление волокон.

2. Пластичность материалов
Пластичность – это способность материала под влиянием действующих усилий изменять свои формы и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившуюся форму и размеры после снятия нагрузки. Пластичность металлов и сплавов определяется условиями деформации: один и тот же металл или сплав может в одних условиях иметь большую пластичность, допускающую большие деформации, в других – разрушаться при небольших остаточных изменениях формы. Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава и фазового состояния, структуры, а также от условий – температуры, скорости, степени деформации.
Пластичность металла зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.
Чистые металлы обладают более высокой пластичностью, чем их сплавы. Например, медь пластичнее ее сплава с оловом (бронзы). Сплавы, образующие твердые растворы, обычно более пластичны, чем сплавы, образующие химические соединения и механические смеси. Большей пластичностью обладают металлы, у которых больше разница между пределами прочности и текучести.
Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью. Гранецентрированные кубические кристаллы имеют 12 систем скольжения, объемно-центрированные кубические кристаллы – 48 систем скольжения. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой имеют меньшее количество систем скольжения, поэтому они менее пластичны и труднее подвергаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.
Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых.
При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. С повышением температуры пластичность повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно

. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900…1000°С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности. Когда температура приближается к температуре плавления, пластичность резко снижается.
Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией. Наклеп снижает пластичность. Упрочнение материала в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность.
Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.
Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности.

3. Штамповка
Штамповка представляет собой процесс обработки металла давлением, при котором формообразование изделия происходит в штампах. В отличие от свободной ковки, течение металла при штамповке ограничено полостями штампа. Изделия, полученные штамповкой, зачастую не требуют последующей механической обработки и не имеют отходов. Различают штамповку объемную и листовую. Штамповка может быть также горячей и холодной.
3.1 Объемная штамповка
Метод обработки металла, при котором придание заготовке заданной формы осуществляется с помощью штампа. При этом течение металла ограничивается полостями его частей. Объемная штамповка может производиться в открытых и закрытых штампах. Объемная штамповка производится чаще в горячем состоянии.
Штамповка в открытых штампах характеризуется тем, что штамп по периметру чистового штамповочного ручья имеет облойную канавку. В процессе штамповки в облойную канавку выдавливаются излишки металла, образуя облой, который закрывает выход из полости штампа и способствует ее полному заполнению. Такая конструкция штампа позволяет не предъявлять особо высоких требований к точности исходных заготовок по массе. При выборе открытой штамповки следует учесть, что наличие облоя увеличивает расход металла, кроме того, для его удаления требуется применение специальных обрезных прессов и штампов (рисунок 1, а, б). Этот вид штамповки можно применять для получения поковок любой конфигурации.
При закрытой штамповке (рисунок 1, в) облойная канавка отсутствует и формирование поковки происходит в условиях всестороннего сжатия, что позволяет штамповать и низкопластичные материалы. Кроме того, закрытой штамповке подвергаются дефицитные и дорогие сплавы, поскольку происходит экономия за счет отсутствия облоя. Недостатком закрытой штамповки является необходимость точной дозировки объема исходной заготовки.

Рисунок 1. Схема получения поковки:
а – открытая штамповка и полученная поковка после обрезки облоя; б – схема обрезки облоя; в – закрытая штамповка и полученная поковка;
1 – верхний штамп; 2 – нижний штамп; 3 – верхний нож; 4 – нижний нож

Объемная штамповка наиболее эффективна при крупносерийном и массовом изготовлении поковок. Штамповка, в отличие от ковки, позволяет получать с большей производительностью и меньшим расходом металла поковки более сложной формы с лучшим качеством поверхности. Припуски и допуски на штамповочные поковки в 2…4 раза меньше, чем на кованные. Обычно масса штампованных поковок не превышает 300 кг, в отдельных случаях штампуют поковки массой до 5 тонн.
Технологический процесс горячей объемной штамповки в общем случае состоит из следующих операций:
разрезки прутка на заготовки;
нагрева заготовок;
штамповки;
термической обработки и контроля твердости;
отделочных операций (очистки от окалины, правки, калибровки);
контроля качества.
В качестве заготовок для объемной штамповки обычно применяют прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечения, разрезанный на части требуемой длины. Прокат разрезают на мерные заготовки различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механических пилах или газовой резкой. Материал для заготовок должен обладать необходимым запасом определенных технологических свойств – ковкостью, способностью к штамповке, обрабатываемостью резанием. Для деформируемых материалов технологическим свойством является пластичность. Чем ниже пластичность материала, тем сложнее технологический процесс и тем труднее получить качественную заготовку методом обработки металлов давлением, следовательно, и тем выше себестоимость детали.
Нагрев производится в печи газопламенным способом