Лекции ТКМ (1) (816151), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Спаи (рисунок 3.22,б) - это сквозные или поверхностные углубления и щели с закругленными краями.
Недоливы и спаи образуются в связи с низкой температурой заливки расплавленного металла, недостаточной его жидкотекучести, малым сечением элементов литниковой системы, медленным заполнением литейной формы или перерывами в заливке металла.
1- недолива; 2- поверхностные спаи; 3- сквозной спай
Рисунок 3.22 - Недоливы и спаи в отливке
2. Усадочная раковина
(рисунок 3.23)
Усадочная раковина – это дефект в виде крупной открытой или скрытой полости, расположенной в части отливки, которая затвердевала последней.
Образование усадочной раковины. После попадания расплава 1 в полость литейной формы (рисунок 3.23,а) он начинает отдавать тепло еѐ стенкам, в результате чего в зоне контакта образуется затвердевшая корка 2 (рисунок 3.23,б), которая содержит внутри себя оставшуюся часть расплава 1. В результате затвердевания и охлаждения происходит объѐмная усадка корки 2, вызывающая уменьшение толщины еѐ стенок и дна и, соответственно, увеличение объѐма внутренней полости, приводящего к понижению уровня заключѐнной в ней оставшейся части расплава 1 (рисунок 3.23,б). После этого застывает промежуточный слой 3 (рисунок 3.23,в), приводя к новому понижению уровня оставшейся части расплава. Поскольку процессы затвердевания, усадки и понижения уровня расплава идут непрерывно, то в момент окончательного застывания сердцевины 4 (рисунок 3.23,г) формируется характерная вогнутая поверхность усадочной раковины 5.
1 – расплав;
2 – затвердевшая корка;
3 – затвердевший промежуточный слой;
4 – затвердевшая сердцевина;
5 – усадочная раковина
Рисунок 3.23 - Усадочная раковина в отливке
3. Усадочная пористость
(рисунок 3.24)
Усадочная пористость – наличие межкристаллических пустот в частях отливки, затвердевающих последними.
Срастание кристаллов 3 приводит к образованию ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы 2. Затвердевание жидкости в ячейках происходит без доступа к ней расплава 1. В результате усадки при кристаллизации остатков жидкой фазы 2 образуется межзеренные микроусадочные раковины, располагающиеся по границам зерен.
|
| 1 - расплав; 2 - ячейки с жидкой фазой; 3 - кристаллы твердой фазы. Рисунок 3.24 – Усадочная пористость в отливке |
Усадочные раковины и пористость нарушают сплошность отливки и снижают еѐ прочность.
Причина образования усадочной раковины и усадочной пористости:
- недостаточная подпитка твердеющего металлов жидким металлом.
- неравномерное распределение температуры по объему отливки и, следовательно, неравномерная усадка различных частей отливки при охлаждении.
Способы предотвращения образования усадочной раковины и усадочной пористости
Предотвращение усадочных дефектов осуществляют тремя способами:
1- подпитка твердеющего металлов жидким металлом;
2- выравнивание температуры по объему отливки;
3- комбинированный способ, сочетающий два предыдущих.
Первый способ заключается в непрерывном подводе расплавленного металла к наиболее массивным частям отливки, застывающим последними, с помощью прибылей (рисунок 3.25,а), в которых расплав должен застывать уже после того, как застынут эти массивные части. Соответственно, усадочные раковины и пористость будут образовываться не в отливке, а в подлежащих удалению прибылях 1 и 2.
Второй способ заключается в выравнивании скоростей затвердевания массивных и тонких частей отливок с помощью установки в места образования массивных частей специальных холодильников, которые могут быть как внешние (наружные) 3, так и внутренние 4 рисунок 3.25,б). Металлические холодильники обладают высокими теплопроводностью и теплоѐмкостью, позволяющими отводить теплоту от массивных частей отливки значительно интенсивнее, чем менее теплопроводный формовочный материал. Внешние холодильники 3 отымаются от отливки после ее извлечения из литейной формы. Внутренние холодильники 4 (рисунок 3.25,б) изготавливают из того же сплава, что и отливку, и устанавливают внутрь полости формы, образующей массивную часть отливки. При заполнении формы расплавом внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с основным металлом.
Третий способ заключается в совместном использовании прибылей и холодильников (рисунок 3.25,в).
4. Трещины
Трещины – разрывы или несплошности в теле отливки.
Трещины возникают когда литейные напряжения (σл) превышают предел прочности материала (σвр ), т.е. σл ≥ σвр. Литейные напряжения складываются из внешних и внутренних (собственных) напряжений. С момента начала затвердевания расплава развивается усадка, приводящая к уменьшению объѐма и размеров отливки, которая начинает сжимать охватываемые ею элементы литейной формы. Выступающие части формы и стержни препятствуют свободной усадке отливки, вызывая в ней внешние напряжения. Но препятствовать усадке могут не только элементы литейной формы, но и те части отливки, которые затвердели раньше соседних вследствие неравномерного распределения температур по объему оливки. Это приводит к возникновению внутренних (собственных) напряжений, т.е. напряжений образующихся без приложения внешней нагрузки.
|
|
|
|
| а - использование прибылей; б - использование холодильников; в - использование прибылей с холодильниками 1 – верхняя открытая прибыль; 2 – боковая закрытая прибыль; 3 – внешний холодильник; 4 – внутренний холодильник; 5 - концентрированная усадочная раковина; 6 - литниковая система для заливки расплавленного металла в полость литейной формы |
| Рисунок 3.25 - Способы предотвращения образования усадочной раковины и усадочной пористости | |
5. Коробление
Коробление – изменение размеров и контуров отливки.
Коробление возникает, когда литейные напряжения σл превышают предел текучести материала σт и не превышают предел прочности материала σвр , т.е
σт ≤ σл <σвр
6. Газовые раковины
Газовые раковины – пустоты с чистой и гладкой поверхностью, расположенные на поверхности или в теле отливки.
Причины образования:
- содержание влаги в формовочной и стержневой смесях;
- низкая газопроницаемость литейной формы и стержня;
- повышенное содержание газов в металлах, заливаемых в литейную форму.
Способы предотвращения:
- прокалка формовочных и стержневых смесей;
- нанесение наколов в литейной форме и каналов для выхода газов в стержнях;
- вакуумирование расплава перед заливкой в литейную форму.
7. Песчаные раковины
Песчаные раковины – пустоты, расположенные на поверхности или в теле отливки и частично или полностью заполненные формовочной или стержневой смесью.
Причины образования:
- недостаточная прочность формовочной или стержневой смеси;
- слабая набивка формы и стержней;
- недостаточная величина галтели (радиуса скругления) отливки, отсутствие или недостаточная величина литейных уклонов.
8. Шлаковые включения
Шлаковые включения - пустоты, расположенные на поверхности или в теле отливки и частично или полностью заполненные шлаком.
Причины образования:
- низкая температура заливки расплавленного металла, препятствующая отделению шлака от металла в ковше и литниковой системе;
- отсутствие шлакоуловителей.
9. Пригар
Пригар – слой формовочной или стержневой смеси, приварившийся к поверхности отливки. Причины образования:
- чрезмерно высокая температура заливки расплавленного металла;
- недостаточная огнеупорность формовочной или стержневой смеси.
10. Перекос
Перекос – смещение одной части отливки относительно другой
Причины образования:
- неточность сборки литейной формы;
- износ центрирующих стержней.
Методы исправления дефектов
Заделка замазками или мастиками – декоративное исправление мелких поверхностных раковин.
Пропитывание применяют для устранения пористости. Отливки на 8…12 часов погружают в водный раствор хлористого аммония. Газовую и электрическую сварку применяют для исправления дефектов на необрабатываемых поверхностях (раковины, трещины).
ЛЕКЦИЯ 5-6. Изготовление отливок из чугуна и стали
Литейная форма для получения отливок из серого чугуна представлена на рисунках 3.2 и 3.3. Серый чугун обладает небольшой объемной усадкой (около 3 %) и малой склонность к образованию усадочной раковины. Поэтому в литейной форме не предусматриваются прибыли.
Литейная форма для получения отливок из ковкого чугуна представлена на рисунке 3.10.
Ковкий чугун обладает повышенной объемной усадкой (около 4 %), вследствие чего склонен к образованию усадочных раковин. Поэтому при получении отливок из ковкого чугуна предусматриваются прибыли. Прибыль предназначена для питания жидким металлом той части отливки, в которой из-за усадки металла может образоваться усадочная раковина. В этом случае усадочная раковина образуется не в отливке, а в прибыли, которая в последствии удаляется (рисунок 3.10). Усадочная раковина образуется в тех объемах отливки, которые затвердевают последними. В последнюю очередь
затвердевают массивные участки. Поэтому прибыль располагают в наиболее массивных частях отливки.
Для питания усадки в толстостенных участках 2 отливки 5 предусматриваются прибыли 4, которые затвердевают в последнюю очередь и в них образуется усадочная раковина 1.
Расплавленный металл заливается через литник 3,имеющий большее сечение, чем литник при получении отливок из серого чугуна.
Рисунок 3.10 - Литейная форма для получению отливок из ковкого чугуна
Литейная форма для получения стальных отливок и отливка из стали представлены на рисунке 3.11. Сталь обладает большой объемной усадкой (около 6 %). Поэтому при получении отливки из стали предусматривается несколько прибылей. Кроме того применяются стояки и выпоры большого сечения. Масса прибыли, стояка и выпора, которые впоследствии удаляются в отход, в среднем составляет 60 % от массы отливки.
Литейная форма для получения стальных отливок и отливка из стали представлены на рисунке 3.11. Сталь обладает большой объемной усадкой (около 6 %). Поэтому при получении отливки из стали предусматривается несколько прибылей. Кроме того применяются стояки и выпоры большого сечения. Масса прибыли, стояка и выпора, которые впоследствии удаляются в отход, в среднем составляет 60 % от массы отливки.
Маркировка чугунов
1. Серый чугун
Серый чугун получают в домне из руды. Структура серого чугуна формируется при низких скоростях охлаждения. В серых чугунах углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Из-за этого излом имеет серый цвет.
Маркировка. Маркируется серый чугун буквами СЧ и цифрами, которые обозначают предел прочности при растяжении (ζ в). Например, марка СЧ18 показывает, что чугун этой марки имеет ζ в=180 МПа (18 кгс/мм2).
Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка
Область применения: серый чугун обладает высокой способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках ( высокая циклическая вязкость), поэтому из серого чугуна изготавливают станины станков, прокатных станков, шкивы, маховики, корпуса механических редукторов, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и др.
а - пластинчатый графит; б - хлопьевидный графит; в - шаровидный (глобулярный) графит; г - вермикулярный графит
| Рисунок 1.1 - Форма графитовых включений 2. Высокопрочный чугун В высокопрочном чугуне графитовые включения имеют шаровидную форму. Это достигается модифицированием чугуна магнием до 0,08 % от массы чугуна. Шаровидная форма графита не создает резкой концентрации напряжений, поэтому чугун имеет высокую прочность при растяжении и изгибе. Маркировка. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел прочности при растяжении, а последние - относительное удлинение в процентах (δ%). Относительное удлинение характеризует пластические свойства материала. Например, марка ВЧ42-12 показывает, что чугун данной марки имеет ζв =420 МПа (42 кгс/мм2) и δ = 12 %. 30 Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка Область применения : высокопрочные чугуны по своим механическим свойствам приближаются к стали. Из него изготавливают ответственные детали: коленчатые валы двигателей автомобилей и тракторов, шестерни и звездочки, детали турбин, изложницы и.т.д. 3. Чугуны с вермикулярным графитом Эти чугуны содержат в структуре графит вермикулярной формы и не более 40 % шаровидного графита. Чугуны с вермикулярным графитом получают из серого чугуна в результате его модифицирования магнием (Mg от 0,02 до 0,08 % от массы чугуна) и церием (Се от 0,02 до 0,07 % от массы чугуна) Маркировка. Маркируется чугун с вермикулярным графитом буквами ЧВГ и цифрами, которые обозначают предел прочности при растяжении (ζ в). Например, марка ЧВГ30 показывает, что чугун этой марки имеет ζ в=300 МПа (30 кгс/мм2). Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка Область применения: чугун с вермикулярным графитом по механическим свойствам занимают промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. Кроме того, чугуны с вермикулярным графитом отличаются хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их стойкость к резким перепадам температур. Из этого чугуна изготавливают детали, работающие в условиях износа и переменных температур. 4. Белый чугун Белый чугун получают в домне из руды. Структура белого чугуна формируется при высоких скоростях охлаждения. Углерод в белом чугуне присутствует в виде цементита Fe3C, который обладает высокой твердость. Поэтому белый чугун не поддается механической обработке. Белый чугун переделывают на ковкий или подвергают легированию для получения износостойкого чугуна.. 5. Ковкий чугун Ковкий чугун ковать нельзя. Название говорит о том, что пластичность ковкого чугуна выше, чем белого. Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графитовых включений. Его получают из белого чугуна в результате специальной термообработки (графитизирующего отжига). Для получения ковкого чугуна необходимо белый чугун нагреть до 950...1000°С и затем, после длительной выдержки при этой температуре (от 17 до 80 часов), охладить с малой скоростью до нормальной температуры. Изолированная хлопьевидная форма графита придает чугуну повышенную прочность и пластичность (хотя он и не поддается ковке). Маркировка. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел прочности при растяжении (ζв), а последние - относительное удлинение в про-центах (δ%). Например, марка КЧ35-10 означает, что чугун имеет ζв = 350 МПа и δ%=10% Литейные свойства: низкая жидкотекучесть и большая усадка. Область применения: по механическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Из ковкого чугуна изготавливают литые детали, работающие с небольшими ударными нагрузками (рычаги, педали), а также трубопроводную арматуру, качество которой лучше, чем из серого чугуна, но хуже, чем из стали. 6. Износостойкий чугун В состав белого чугуна вводятся дополнительные легирующие элементы для придания сплаву нужных эксплуатационных свойств и улучшения обрабатываемости режущим инструментом. Маркировка. Маркируется износостойкий чугун как сталь, т.е по содержанию легирующих элементов. Например – ИЧХ12Г5 (износостойкий чугун с содержание хрома примерно 12 % и марганца примерно 5%). Литейные свойства: низкая жидкотекучесть и большая усадка. Область применения. Износостойкие чугуны хорошо противостоят абразивному износу, из них изготавливают тормоза, диски сцепления, детали насосов, перекачивающих абразивные среды, детали пескометов и т.д. Для этого в чугун добавляют Cr, Ni, Ti, W, Mo.
|
а – серый чугун на ферритной основе; б – чугун с вермикулярным графитом на ферритной основе; в – серый феррито-перлитный чугун; г – серый чугун на перлитной основе; д – высокопрочный феррито-перлитный чугун; е –высокопрочный перлитный чугун; ж – ковкий чугун на ферритной основе.
Рисунок 1.2 - Схемы микроструктур чугуна
Плавка чугуна производится в вагранках, индукционных и шахтных печах. Вагранка представляет собой вертикальную шахту-печь непрерывного действия, работающую на литейном каменноугольном коксе и воздушном дутье.
Индукционные печи работают на токах промышленной частоты. Их применение позволяет выплавлять чугун однородного состава с высокими механическими свойствами и тем самым значительно снизить массу отливок. Высокая температура нагрева в индукционных печах дает возможность использовать недорогостоящие стальные отходы и путем науглероживания их получать чугун необходимого химического состава.
Литейная форма для получения стальных отливок и отливка из стали представлены на рисунке 3.11. Сталь обладает большой объемной усадкой (около 6 %). Поэтому при получении отливки из стали предусматривается несколько прибылей. Кроме того применяются стояки и выпоры большого сечения. Масса прибыли, стояка и выпора, которые впоследствии удаляются в отход, в среднем составляет 60 % от массы отливки.
|
|
|
а – литейная форма для получения отливки из стали; б - отливка из стали
1 – стояк большого сечения; 2 – массивный выпор; 3 – четыре прибыли
Рисунок 3.11 - Литейная форма и отливка из стали
Плавка сталей выполняется в мартеновских и электродуговых печах. Для неответственных отливок применяются конвертеры. Для ответственных - индукционные высокочастотные печи и установки электрошлакового переплава.
ЛЕКЦИЯ 7.
Особенности получения отливок из цветных металлов и сплавов
1. Изготовление отливок из алюминиевых сплавов
Сплавы алюминия с кремнием (силумины) отличаются высокой жидкотекучестью и малой усадкой, не склонны к образованию горячих и холодных трещин. Но большинство остальных алюминиевых сплавов имеет низкую жидкотекучесть, повышенную усадку, склонность к образованию трещин и поглощению водорода в расплавленном состоянии. Поэтому для получения качественных отливок предусматривают массивные прибыли и широкое использование холодильников, а также предварительный подогрев форм до температуры 250–350С. Заливка литейных форм производится при температуре расплава около 700–750С.
Отливки из алюминиевых сплавов преимущественно изготавливают литьѐм в кокиль, под давлением и в песчаные формы. При очень сложной конфигурации отливок кокили подогревают до температуры 400–500С.
2. Изготовление отливок из магниевых сплавов
Магниевые сплавы имеют пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин и самовозгоранию при плавке и заливке, хорошо поглощают водород. Для предотвращения литейных дефектов используют прибыли и холодильники, а при литье в кокиль – предварительный подогрев форм и стержней до температур порядка 400С. Для предотвращения самовозгорания магниевых сплавов их плавку проводят под слоем защитных флюсов из хлористых или фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, а также в среде защитных газов. Защитные фтористые добавки вводят и в формовочные смеси. В процессе заливки струю расплавленного металла посыпают порошком серы, при горении которой образуется сернистый газ, предотвращающий возгорание магния.
При изготовлении литниковой системы предусматривают плавное, спокойное заполнение литейной формы (рисунок 3.32).
Рисунок 3.32 - Литниковая система для отливок из магниевых сплавов
При изготовлении литниковой системы предусматривают плавное, спокойное заполнение литейной формы. Хорошие результаты дает заливка с применением змеевидного стояка 4 (рисунок 3.32,б) с тормозящим движением металла элементами 5.
Для ответственных отливок применяют сложную литниковую систему с тормозящими элементами 3…3, 5 (рисунок 3.32,а).
Отливки из магниевых сплавов преимущественно изготавливают литьѐм в кокиль, под давлением и в песчаные формы.
3. Изготовление отливок из медных сплавов
Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, но высокую усадку, что обуславливает образование усадочных раковин и пористости. Бронзы отличаются высокой жидкотекучестью, но тоже имеют высокую усадку, обуславливающую образование тех же дефектов. При этом все медные сплавы склонны к образованию трещин.
Отливки из медных сплавов изготавливают литьѐм в песчаные и оболочковые формы, в кокиль, под давлением и центробежным литьѐм. Для предотвращения усадочных
раковин и пористости в массивных узлах отливок устанавливают прибыли и холодильники. Для предотвращения образования трещин увеличивают податливость формы, для чего вводят в формовочную смесь опилки.
4. Изготовление отливок из титановых сплавов
Титан является тугоплавким металлом, который в расплавленном состоянии активно взаимодействует с кислородом, азотом, водородом и углеродом, в связи с чем его плавку необходимо вести в вакууме или среде защитных газов.
Широко распространены графитовые формы. Их изготовляют из смесей, в состав которых входят в качестве основы графит, в качестве связующего - смолы, пеки. Изготовленные формы после выдержки на воздухе от 8 ч до 3 суток подвергают сушке при температуре 120 °С и обжигу в восстановительной атмосфере при 700 - 980 °С в течение 1…24 ч. При этой температуре связующее коксуется и из формы практически полностью удаляются все летучие вещества. Применяются и оболочковые графитовые формы с фенолоформальдегидной смолой в качестве связующего. Мелкие сложные тонкостенные отливки из титановых сплавов получают в формах, изготовленных по выплавляемым моделям. В состав суспензии входит высокодисперсный графитовый порошок и связующее на основе фенолоформальдегидных смол, а в качестве обсыпочного материала - зернистый графит.
Отливки из титановых сплавов изготавливают литьѐм в графитовые прессованные формы, оболочковые формы, или формы, полученные по выплавляемым моделям.
Плавка цветных металлов и сплавов в зависимости от их свойств (температуры плавления, химической активности и т, п.) и масштабов производства плавятся в индукционных, вакуумно-дуговых, вакуумных электронно-лучевых печах. Плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов.
После плавки производится улучшение качества расплавленного металла (расплав модифицируется, легируется и рафинируется).
Модифицирование – введение в жидкий расплав тугоплавких частиц - модификаторов
(нитридов, карбидов ) в сотых или десятых долях процента от массы жидкого металла. Модификаторы либо образуют новые центры кристаллизации, либо, осаждаясь на поверхности уже образовавшихся зерен, сдерживают их рост. Введение модификаторов способствует получению мелкозернистой структуры, что улучшает механические свойства отливки (мелкозернистая структура повышает пластичность, ударную вязкость).
ЛЕКЦИЯ 8. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Обработка материалов давлением (ОМД) – технологический процесс получения заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента на исходную заготовку.
Получаемое изделие – прокат; поковки, полученные ковкой и штамповкой; профили, полученные прессованием и волочением.
Исходная заготовка - квадратные, прямоугольные или многогранные слитки, кованые заготовки.
Сущность процесса : в результате силового воздействия инструмента на металл под воздействием инструмента происходит смещение атомов металла на определенные расстояния. Если эти расстояние не превышают параметров кристаллической решетки (расстояния между атомами в кристаллической решетки), в теле возникают упругие деформации, исчезающие после снятия внешней нагрузки. Если эти расстояния превышают расстояния между атомами в кристаллической решетке, в теле возникают пластические деформации , не исчезающие после снятия внешней нагрузки . При этом, если силовое взаимодействие между атомами не нарушается (не разрушаются связи между ними), деформация проходит без нарушения сплошности тела. В противном случае происходит нарушение сплошности материала и в теле возникают надрывы и трещины. ОМД основана на пластической деформации металла без нарушения его сплошности.
ОМД может выполняться в холодном, полугорячем и в горячем состояниях. При обработке в холодном состоянии металл перед обработкой не нагревается. При полугорячей обработке металл нагревается незначительно ( Тнагрева < 0,3Тплавления ). При горячей обработке металл нагревается до температур Тнагрева ≥ 0,3 Тплавления (температура плавления Тплавления ≈ 1530-1550 °С). Нагрев заготовок обеспечивает высокую пластичность, высокое качество готового продукта и получение требуемой структуры. Но при этом необходимо строгое соблюдение режимов нагрева. Нагрев металла перед обработкой давление осуществляют в пламенных и электрических печах.
Влияние температуры нагрева на свойства деформированного металла
Обработка давлением в холодном состоянии представляет собой процесс деформирования не нагретого металла. При этом зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, создавая полосчатую (волокнистую) микроструктуру. При деформировании происходит также искажение кристаллической решетки, что приводит к возникновению остаточных напряжений в металле. (Остаточные напряжения – это напряжения, не исчезающие после снятия внешней нагрузки). Эти явления вызывают упрочнение или наклеп металла. При наклепе возрастают прочность и твердость металла, снижается его пластичность. Например: наклеп при холодном деформировании в 1,5 – 2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности.
Обработка давлением в горячем состоянии представляет собой процесс деформирования предварительно нагретого или нагрев холоднодеформированного металла. При этом происходят разупрочняющие процессы. При температурах нагрева Т ≈ 0,3 Тпл уменьшается степень искажения кристаллической решетки, что снижает уровень остаточных напряжений в металле. Снижение остаточных напряжений без изменения размеров и формы деформированных зёрен называется возвратом. Возврат частично снимает наклеп металла. При нагреве деформированного металла до температур порядка 0,4Тпл для чистых металлов и (0,5 – 0,6)Тпл для сплавов в твёрдом металле начинают расти новые зёрна, заменяющие вытянутые деформированные. В результате образования новых зёрен упрочнение практически полностью снимается, и свойства материала приближаются к их исходным значениям.
Возникновение и рост новых зёрен взамен деформированных называется рекристаллизацией. В результате рекристаллизации и возврата обеспечивается образование нормальной (не волокнистой) структуры, снижается степень искажения кристаллической решетки, т.е.происходят процессы, обратные наклепу. Это приводит к исчезновению анизотропии свойств металла, связанной с полосчатой (волокнистой) структурой, а также к увеличению пластичности, снижению твердости и, как следствие, улучшению обрабатываемости металла резанием. Общим положением для всех металлов и сплавов является то, что наибольшую пластичность они имеют при температурах рекристаллизации, т.е. в условиях горячей деформации. Но при нагреве до слишком высоких температур могут возникнуть такие явления, как перегрев и пережог.
Перегрев характеризуется резким ростом размеров зерна, обуславливающим снижение пластичности металла. Перегрев ухудшает свойства получаемых изделий и его следует избегать. Последствия перегрева в большинстве случаев можно исправить последующей термообработкой (отжигом), но для ряда материалов такое исправление вызывает значительные трудности.
Пережог возникает при более высоких температурах, чем перегрев. Пережог характеризуется окислением и оплавлением границ зерен, что нарушает связь между ними. В случае пережога материал не может обрабатываться давлением и должен быть отправлен на переплавку, поскольку пережог является неисправимым видом брака.
Т. е. при слишком низких температурах образуется наклеп металла, при слишком высоких - перегрев и пережог.
Выбор диапазона температур нагрева металла.
Выбор диапазона температур нагрева при обработке давлением зависит от свойств материала. Влияние температуры на пластичность неоднозначно для различных материалов. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали с повышением температуры, становятся более пластичными. Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры. Пластичность высоколегированных сталей снижается с увеличением температуры.
Температурный интервал, расположенный между оптимальными температурами начала и конца горячей деформации конкретного материала, называется температурным интервалом горячей обработки давлением. Этот интервал лежит в области максимальной пластичности конкретного материала.
Температурный интервал горячей обработки давлением выбирают по диаграмме состояния сплава.
Начальную температуру обработки Тн рекомендуется выбирать по формуле: Тн ≈ (0,85 – 0,95)Тпл. Конечную температуру деформации Тк можно определять по формуле Тк ≈ (0,4 - 0,7) Тпл.
Значение температур начала и конца обработки давлением зависит от марки металла. Например, для различных деформируемых алюминиевых сплавов верхний предел находится между 470 - 500˚С, нижний – между 350 - 400˚С; у медных сплавов верхний предел – между 700 - 900˚С, нижний – между 550 - 800˚С; у магниевых сплавов верхний – 370 - 430˚С, нижний – 300 - 350˚С; у титановых сплавов верхний – 1000 - 1200˚С, нижний – 700 - 950˚С; у стали верхний – 1100 - 1300˚С, нижний – 800 - 950˚С.
Зависимость механических характеристик от температуры и рекомендации по выбору температурного интервала горячей обработки давлением для углеродистой стали представлена на рис.1Д
|
Рис. 1Д Зависимость механических характеристик углеродистой стали от температуры. | σт – предел текучести; δ,% - относительное удлинение (один из показателей пластичности); То – комнатная температура (для России То=20°С); Тн – температура начала горячей обработки давлением; Тк – температура конца горячей обработки давлением. Заштрихованная область - температурный интервал горячей обработки давлением для углеродистой стали. |
| Температурный интервал горячей обработки давлением назначается в области температур, обеспечивающих максимальную пластичность обрабатываемого материала. При этом необходимо учитывать следующие положения: 1. При нагреве углеродистой стали примерно до 100С несколько снижается предел текучести σт и увеличивается пластичность δ. Но при дальнейшем повышении температуры материал попадает в зону синеломкости, характеризуемую значительным увеличением предела текучести σт и снижением пластичности δ, экстремальные значения которых соответствуют 300С 2. Увеличение температуры после зоны синеломкости приводит к постепенному значительному снижению предела текучести σт и, соответственно, к увеличению пластичности δ. При температурах порядка 1000С предел текучести σт уменьшается в 10 и более раз. Однако в области температур порядка 800–850С материал попадает в зону красноломкости, характеризуемую значительным снижением пластичности δ вследствие повышения хрупкости примесей, располагающихся по границам зерен. 3. При нагреве углеродистой стали до температур выше 1250–1300С материал попадает в зону, характеризуемую резким ростом размеров зерна, обуславливающим снижение пластичности металла δ (перегрев). Перегрев ухудшает свойства получаемых изделий и его следует избегать. Последствия перегрева в большинстве случаев можно исправить последующей термообработкой (отжигом), но для ряда материалов такое исправление вызывает значительные трудности. 4. При нагреве углеродистой стали выше зоны перегрева до температур порядка 1450С материал попадает в зону, характеризуемую почти полной потерей пластичности (т.е. резким ростом хрупкости), обусловленной окислением и оплавлением границ зёрен (пережог). В случае пережога материал не может обрабатываться давлением и должен быть отправлен на переплавку, поскольку пережог является неисправимым видом брака. 5. При температуре плавления пластичность металла равна нулю. 6. Низкая температура нагрева металла в процессе обработки давлением приводит к его упрочнению (наклепу), что резко снижает запас пластичности материала. Упрочнение может вызвать разрушение исходной заготовки в процессе обработки давлением. Т. е. при слишком высоких температурах нагрева в металле образуется перегрев и пережог. При слишком низких температурах нагрева – наклеп. Температурный интервал горячей обработки давлением (Тн-Тк) зависит от свойств материала и назначается отдельно для каждой конкретной марки стали. | |
Характеристики материала, обрабатываемого давлением
При выборе металла или сплава для изготовления изделия различными способами обработки давлением необходимо учитывать пригодность материала к конкретному способу обработки. Эта пригодность характеризуется следующими основными свойствами материала.
1. Пластичность – способность материала пластически деформироваться без разрушения.
Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава металла, структуры и фазового состава структуры материала..
1.1. Химический состав.
С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава. Олово, свинец, сера не растворяются в железе и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Кроме того, температура плавления этих элементов низкая и при нагреве под горячую деформацию они расплавляются в первую очередь, что приводит к нарушению связи между зернами и потере пластичности.
1.2. Структура металла.
Пластичность зависит и от структурного состояния металла. Металлы с мелким зерном пластичнее крупнозернистого. Металл слитков или отливок менее пластичен, чем металл после обработки давлением, так как литая структура имеет резкую структурную неоднородность (различные размеры зерен по объему изделия).
1.3. Фазовый состав структуры.
Фазовый состав структуры зависит от скорости охлаждения металла. По увеличению скорости охлаждения, образующиеся структурные составляющие можно расположить в следующей последовательности: феррит, перлит, сорбит, трости, бейнит, мартенсит. Чем выше скорость охлаждения, тем, как правило, ниже пластичность.
2. Формоизменяемость – свойство металла изменять свою форму под действием силового воздействия инструмента не разрушаясь. Формоизменяемость называется ковкостью применительно к процессам ковки, и штампуемостью применительно к объёмной и листовой штамповке. Формоизменяемость зависит от многих параметров. Наиболее существенным из них является пластичность. Чем выше пластичность материала, тем большее количество суммарного силового воздействия он выдерживает без разрушения.
3. Деформируемость – способность материала в конкретных термомеханических условиях обработки давлением пластически деформироваться без значительного сопротивления.
Материал, обладающий в конкретных термомеханических условиях повышенным сопротивлением пластической деформации, называется труднодеформируемым материалом, а низким – хорошо деформируемым. Деформируемость зависит от температуры нагрева металла. Как правило, с повышением температуры деформируемость улучшается.
ЛЕКЦИЯ 9-10. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
IV. Ковка – технологический процесс получения заготовок или деталей в результате пластического деформирования исходной заготовки в бойках без ограничения бокового течения металла.
Исходная заготовка – отливки , блюмы , слябы , прокат.
Инструмент – бойки :
а) плоские (рис. 28Д); б) фигурные (рис. 28Д, б).
Различают ручную и машинную ковку.
Оборудование.
1. Ручная ковка
Кувалда и наковальня.
2. Машинная ковка.
Паровоздушные молоты и гидравлические прессы.
Паровоздушные молоты – машины ударного действия. Применяются при ковке высокопластичных материалов.
Гидравлические прессы – машины статического действия. Применяются при ковке малопластичных материалов.
|
а б Рис. 28Д. Ковка. 1 – плоские бойки; 2 – поковка; 3 – фигурные (вырезные) бойки; Р – усилие ковки; S – боковое течение металла. Для быстрого получения поковок круглого сечения из квадратных или круглых заготовок применяют фигурные (вырезные) бойки (рис. 28Д, б), имеющие скруглённые выемки. В таких бойках заготовка получает более точную цилиндрическую форму. При этом силы Р, направленные к оси заготовки, оказывают сжимающее действие, препятствующее интенсивному течению материала в стороны и способствующее более равномерному течению материала в продольном направлении |
Технология ковки.
Ковка выполняется, как правило, в горячем состоянии. К основным операциям ковки относятся: осадка (рис. 29Д), высадка (рис. 30Д), прошивка (рис. 31Д), пробивка (рис. 32Д), протяжка (рис. 33Д), разгонка (рис. 34Д), отрубка (рис. 35Д), гибка (рис. 36Д) и закручивание (рис. 37Д).
| Рис. 29Д. Осадка - уменьшение высоты заготовки при увеличении площади её поперечного сечения. | а – исходное положение; б – осадка; в – потеря устойчивости при осадке; 1 – боек; 2 –плита; 3 – исходная заготовка; 4 –поковка после осадки без потери устойчивости; 5 – поковка после осадки с потерей устойчивости (брак); d1 – диаметр поковки после осадки Условие выполнения осадки без потери устойчивости h0/d0 2,5 h0 – высота исходной заготовки; d0 – диаметр исходной заготовки. | |
| а б Рис. 30Д. Высадка - осадка заготовки на части ее длины. | а – исходное положение; б – высадка 1 – боек; 2 –плита; 3 – исходная заготовка; 4 –поковка после высадки; 5 - матрица | |
| а б Рис. 31Д. Прошивка - получение полостей в заготовке. | а – исходное положение; б –прошивка; 1 – боек; 2 –плита; 3 – исходная заготовка; 4 – прошивень. | |
| Рис. 32Д. Пробивка - получение в заготовке сквозного отверстия | 1 – боек; 2 – матрица ; 3 – исходная заготовка; 4 – прошивень; 5 – выдра; 6 – поковка. | |
| а б Рис. 33Д. Протяжка - удлинение заготовки или ее части за счет уменьшения толщины заготовки | а – исходное положение; б –протяжка; 1 – верхний боек; 2 –нижний боек; 3 – исходная заготовка; 4 – поковка после протяжки; δ – толщина исходной заготовки; δ1 – толщина поковки после протяжки; S – поперечная подача исходной заготовки в бойки. | |
| Рис. 34Д. Разгонка – операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины. | ||
| а б Рис. 35Д. Отрубка - отделение части заготовки . | 1 – топор; 2 – исходная заготовка. Выполняется за 2 прохода. а – первичное внедрение топора; б – переворот заготовки и окончательная отрубка. Поскольку после первичного внедрения топора и переворота заготовки попасть точно в плоскость первоначального надруба очень трудно, то в результате рубки всегда образуется заусенец – острый выступ на поверхности металла, являющийся побочным результатом обрабатывающего воздействия. | |
| а б Рис. 36Д. Гибка - придание заготовке изогнутой формы | а – исходное положение; б –гибка; 1 – верхний фигурный боек; 2 – нижний фигурный (вырезной) боек; 3 – исходная заготовка; 4 – поковка (скоба); Р – усилие ковки. | |
|
а б Рис. 37Д. Скручивание - операция , при которой часть заготовки поворачивается вокруг своей продольной оси. | а – исходное положение; б – скручивание; 1 – верхний боек; 2 – нижний боек; 3 – исходнпя заготовка; 4 – поковка после скручивания; 5 – вороток; Рз – усилие зажатия исходной заготовки в бойках; Р – усилие скручивания. Исходная заготовка 3 зажимается в бойках 1 и 2 с усилием Рз. Затем, воротком 5 с усилием Р выполняется скручивание исходной заготовки. |
Продукция ковки (рис.38Д)
|
Рис. 38Д. Продукция ковки. | Коленчатые валы судовых двигателей и двигателей тракторов, различные детали сельхозтехники |
Требования технологичности к конструкции поковок, получаемых ковкой (Табл. 1Д)
| Технологично Нетехнологично | Следует избегать конических форм |
| Технологично Нетехнологично | Следует избегать клиновых форм |
| Технологично Нетехнологично | Следует избегать участков пересечений цилиндрических поверхностей между собой |
| Технологично Нетехнологично | Следует избегать участков пересечений цилиндрических и призматических поверхностей |
| Технологично Нетехнологично | Следует избегать ребристых выступов или бобышек на плоских поверхностях, а также внутренних выступов в развилинах вильчатых деталей |
Преимущества и недостатки ковки
| Преимущества | Недостатки |
| 1. Получение намного более высокого качества металла с повышенными характеристиками прочности и пластичности, лучшей структурой, а также меньшим количеством возможных дефектов по сравнению с отливками. 2. Получение крупных изделий, масса которых исчисляется десятками и даже сотнями тонн, а длина – десятками метров; такие изделия с высоким качеством металла другими способами обработки получить невозможно. 3. При изготовлении единичных или небольшого числа одинаковых изделий резкое снижение затрат на оборудование и, особенно, инструменты ввиду их универсальности; с помощью одного и того же оснащения, имеющегося на предприятии, можно изготовить большое количество самых разнообразных изделий с хорошим качеством металла, в связи с чем в единичном или мелкосерийном производстве ковка обычно оказывается наиболее экономически выгодным методом заготовительной металлообработки. | 1. Низкая производительность и большая трудоёмкость по сравнению со штамповкой 2. Большие отходы металла и объём последующей механической обработки из-за больших напусков, припусков и допусков, необходимых для упрощения процесса ковки. |
Штамповка – технологический процесс получения заготовок или деталей в результате пластического деформирования исходной заготовки в штампах с частичным или полным ограничением бокового течения металла.
Штамповка осуществляется как в горячем (горячая объемная штамповка), так и в холодном (холодная объемная и листовая штамповка) состояниях.
V.I. Горячая объемная штамповка (ГОШ).
Штамповка нагретой (Тнагрева ≥ 0,3 Тплавления) исходной заготовки называется горячей объёмной штамповкой.
Исходная заготовка - прокат круглого, квадратного, прямоугольного и периодического сечения.
Оборудования: паровоздушные молоты, кривошипные гидравлические и механические прессы, горизонтально – ковочные машины (ГКМ).
Инструмент: одноручьевые и многоручьевые открытые и закрытые штампы, пуансон и матрица для ГКМ.
Штамп для объёмной штамповки - специальный инструмент с полостью, которая воспроизводит форму получаемого изделия. Эта формирующая поковку полость штампа называется ручьем.
Изделие, полученное в результате ГОШ называется штампованной поковкой
По количеству ручьев различают штамповку в одноручьевых и многоручьевых штампах.
По степени ограничения бокового течения металла различают штамповку в открытых и закрытых штампах.
Технология горячей объемной штамповки (ГОШ)
1. Штамповка в открытых штампах (рис. 39Д).
|
Рис. 39Д. Штамповка в открытом штампе. 1 – верхняя половина штампа; 2 – нижняя половина штампа; 3 – исходная заготовка; 4 – штампованная поковка; 5 – облойная канавка; 6 – облой или заусенец; Lз –высота исходной заготовки; 7 – деталь, полученная в результате последующей обработки штампованной поковки (обрезка облоя с последующей механической обработки штампованной поковки); Lп –высота штамповонной поковки; Lф – высота фланца штамповонной поковки; D – наружный диаметр детали. Штамповка в открытом штампе характеризуется зазором между штампами. Обрабатываемый материал в процессе деформации имеет возможность истечения за пределы формообразующей полости штампа. Заготовка, установленная в полость открытого штампа (рис. 39Д, а), после начала рабочего хода начинает деформироваться и постепенно заполнять элементы полости штампа, соответствующие форме получаемого изделия. На определённом этапе излишек металла начинает вытекать за пределы формообразующей полости в зону облойной канавки, которая предназначена для размещения облоя (рис. 39Д, б). Облоем называется излишек металла заготовки, вытесняемый в результате штамповки за пределы формообразующей полости штампа. В процессе штамповки объём облоя увеличивается, а его высота уменьшается. В момент окончания штамповки верхняя и нижняя половины штампа смыкаются, и весь излишек металла вытесняется из штамповой полости в облойную канавку (рис.39Д, в). Форма и размеры штампованной поковки 4 отличаются от формы и размеров заданной детали 7. Штампованная поковка имеет, в отличии от детали, припуски на механическую обработку, штамповочные уклоны, облой (заусенец), которые удаляются последующей обработкой. Преимущества. 1. В конечный момент деформирования в облойную (заусенечную) канавку выжимаются излишки металла, находящиеся в полости штампа, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности исходной заготовки и штампованной поковки по массе. 2. Штамповкой в открытых штампах можно получать поковки практически любых типов, изготавливаемых с помощью обработки давлением. Недостатки. 1. Большие потери металла на облой (заусенец), которые зависят от массы и формы поковок и могут достигать 30 % и более. 2. Увеличение объема последующей обработки штампованной поковки (необходимость в последующей операции по обрубке облоя). 3. Волокна металла при формировании и удалении облоя оказываются перерезанными, что существенно снижает качество поковок. |
2. Штамповка в закрытых штампах (рис. 40Д).
|
Рис. 40Д. Штамповка в закрытом штампе. а – исходное положение; б – штамповка; 1 – верхняя половина штампа; 2 – нижняя половина штампа; 3 – исходная заготовка; 4 – штампованная поковка; 5 – выталкиватель (служит для извлечения штампованной поковки из полости штампа после окончания штамповки); 6 – деталь, полученная в результате последующей обработки штампованной поковки (механическая обработка штампованной поковки); Lп –высота штамповонной поковки; Lф – высота фланца штамповонной поковки; D – наружный диаметр детали. Штамповка в закрытом штампе (безоблойная штамповка) - штамповка, при которой обрабатываемый материал в процессе деформации не имеет возможности истечения за пределы формообразующей полости штампа (рис. 40, а). Это обуславливает необходимость точного соответствия массы исходной заготовки и массы штампованной поковки, поскольку при избытке металла будет происходить либо недоштамповка поковки по высоте с получением размера больше требуемого, либо поломка штампа или оборудования из-за возникновения чрезмерно больших деформирующих сил. Форма и размеры штампованной поковки 4 отличаются от формы и размеров заданной детали 6. Штампованная поковка имеет, в отличии от детали, припуски на механическую обработку, штамповочные уклоны, которые удаляются последующей обработкой. Преимущества. 1. Уменьшение расхода металла из-за отсутствия облоя. 2. Уменьшение объема последующей обработки штампованной поковки (нет необходимости в последующей операции по обрубке облоя). 3. Поковки имеют более благоприятную структуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. 4. Металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях, что позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы. Недостатки. 1. Необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого (отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность). 2. Штамповкой в закрытых штампах в основном получают поковки типа тел вращения с постоянной площадью поперечного сечения по длине, т.к. нет зазора для вытекания излишков металла (излишки металла образуются вследствие того, что при изменении площади поперечного сечения меняется объем металла). 3. Повышенный износ штампов в местах их касания. 4. Возможность заклинивания штампов. 5. Затруднено извлечение поковки из полости штампа, что вызывает необходимость использования специальных выталкивателей, приводящих к усложнению конструкции штампа При штамповке без облоя нужны специальные выталкивающие устройства для извлечения поковки из штампа. |
3. Штамповка в многоручьевых штампах (рис. 41Д).
При штамповке в многоручьевом штампе изделие формируется в одном штампе, имеющем несколько ручьев, постепенно приближающихся по форме к заданной конфигурации штампованной поковки.
|
Рис. 41Д. Штамповка в многоручьевом штампе. |
| а – исходная заготовка и получаемая поковка; б – многоручьевой штамп: в – переходы штамповки. 1 – 4 – подготовительные ручьи (рис. 41Д, б); 5 – окончательный ручей (рис. 41Д, б); 1 - 4 – предварительная штамповка (рис. 41Д, в); 5 – окончательная штамповка ( получение штампованной поковки) (рис. 41Д, в). При штамповке в многоручьевом штампе изделие формируется в одном штампе, имеющем несколько ручьев, постепенно приближающихся по форме к заданной конфигурации штампованной поковки. Обработка заготовки в одном ручье штампа называется переходом. Предварительное формоизменение заготовки, приближающее её форму к окончательной, называется фасонированием. Ручей, в котором производится фасонирование заготовки, называется подготовительным или заготовительным. Ручей, в котором производится окончательное формообразование штампуемого изделия, называется окончательным или чистовым. При использовании нескольких подготовительных ручьёв (1 – 4 на рис. 41Д, б ) фасонирование производится постепенно, в результате ряда последовательных обжатий заготовки (ряда последовательных переходов) (1 – 4 на рис. 41Д, в), всё более приближающих её форму к наиболее выгодной для завершающей штамповки в окончательном ручье 5 (рис. 41Д, б). Преимущества по сравнению с одноручьевыми штампами. Штамповка в многоручьевом штампе позволяет повысить производительность, т.к. отсутствуют потери времени на перенос заготовок из одного одноручьевого штампа в другой. |
В зависимости от взаимного расположения направления штамповки и оси исходной заготовки различают штамповку плашмя и штамповку в торец (рис. 42Д).
|
а |
б |
| Рис. 42Д. Штамповка плашмя (а) и в торец (б) Стрелка на рисунках – направление штамповки В зависимости от формы поковок в плане штамповку выполняют плашмя или в торец. Поковки удлиненной формы, характеризующиеся значительной величиной отношения длины к ширине, штампуют плашмя (поковки, штампуемые перпендикулярно оси исходной заготовки). Поковки круглой или квадратной формы с примерно равными размерами штампуют в торец (поковки, штампуемые вдоль оси исходной заготовки). Штамповка плашмя и в торец может выполнятся как в закрытых, так и в открытых штампах. | |
Дополнительные операции при горячей объемной штамповки
1. Отделочные операции горячей объемной штамповки (обрезка заусенца, пробивка перемычки-пленки, калибровка поковок)
1.1. Обрезка заусенца и пробивка перемычки-пленки (рис. 43Д)
|
| При нажатии пуансоном 1 на поковку 3 режущие кромки матрицы 4 срезают заусенец по всему периметру поковки, и она проваливается в тару. Заусенец 5 (если он застревает на пуансоне) снимается с пуансона при его ходе вверх съемником 2 и удаляется в другую тару. |
|
| При пробивке перемычек-пленок для получения сквозных отверстий поковку 3 укладывают в матрицу 4 и с помощью пуансона 1 пробивают. Отход 6 (выдра) проваливается в отверстие матрицы и собирается в тару. |
| Рис. 43Д Обрезка заусенца (а) и пробивка перемычки пленки (б) | |
1.2. Калибровка поковок (рис. 44Д)
|
| Плосткостная калибровка сопровождается свободным течением металла в горизонтальном направлении и обеспечивает получение точных вертикальных размеров. Выполняется на специальных калибровочных прессах. |
|
| При объемной калибровке боковые стенки ручья затрудняют течение металла в горизонтальном направлении. Выполняется на кривошипных горяче-штамповочных прессах в одноручьевом штампе. |
| Рис. 44Д Калибровка поковок а – поверхностная калибровка; б – объемная калибровка Калибровка производится для повышения точности размеров поковок и улучшения качества их поверхностей. Выполняется в холодном и нагретом состоянии. | |
2. Очистка поковок от окалины.
Выполняется в очистных барабанах и на дробеструйных установках.
3. Контроль качества поковок.
Внешние дефекты выявляются визуальным осмотром, внутренние: ультразвуковым или рентгеновским контролем.
Требования технологичности при изготовлении штампованных поковок (табл. 2Д)
Табл. 2Д
| Требования технологичности при изготовлении штампованных поковок |
| Требования к плоскости разъема штампа |
| Желательно, чтобы штамп имел один разъем |
| Плоскость (поверхность) разъема штампа должна быть такой, чтобы поковка легко вынималась из штампа. |
| Желательно, чтобы плоскость разъема совпадала с плоскостью двух наибольших габаритных размеров детали (при этом полости штампа будут иметь наименьшую глубину) |
| С целью исключения сдвига одной половины штампа относительно другой, плоскость разъема штампа должна пересекать вертикальную, большую по объему поверхность поковки.
|
| Желательно плоскость разъема штампа располагать так, чтобы естественные уклоны облегчали удаление поковки из штампа без выталкивателей и без существенного упрощения формы детали.
|
| Полости (отверстия) в поковке можно получить только в том случае, если их оси будут перпендикулярны плоскости разъема (или направлению перемещения одной из половин штампа (ГКМ)) |
| Требования к конструкции поковки |
| Поковка не должна иметь выступающих частей, мешающих ее удалению из полости штампа. |
| Для обеспечения благоприятного заполнения полости штампа металлом и удобного извлечения из нее поковки, боковые поверхности поковки должны иметь конструктивные уклоны* |
| Все пересекающиеся поверхности поковки должны сопрягаться по радиусам скруглений*, что обеспечивает лучшее заполнение полости штампа и предохраняет его от преждевременного износа и поломки |
| В штампах с одной плоскостью разъема невозможно получить сквозное отверстие в поковке. Выполняется только наметки (углубления) с перемычкой - пленкой, которая в дальнейшем удаляются пробивкой.
D – диаметр прошиваемого отверстия (указан на чертеже детали) S – толщина перемычки-пленки |
| Отверстия диаметром d < 30 мм на поковках не выполняются. На них назначаются напуски, а отверстия выполняются механической обработкой |
| * Уклоны и радиусы скруглений назначаются сверх припусков и напусков |
Продукция горячей объемной штамповки в открытых и закрытых штампах
(рис. 45Д)
|
Рис. 45Д. Примеры продукции горячей объемной штамповки в открытых и закрытых штампах |
| Горячей объемной штамповкой можно изготавливать: шестерни, диски, фланцы, ступицы, крышки, валы, рычаги, шатуны и др. |
Преимущества и недостатки горячей объемной штамповки
| Преимущества | Недостатки |
| По сравнению с ковкой горячая объёмная штамповка обладает следующими преимуществами: 1. Высокой производительностью, в десятки или сотни раз превышающей производительность ковки; 2. Значительно (в 3–4 раза) меньшими допусками и припусками, и лучшим качеством поверхности; после калибровки штамповок допуски могут составлять 0,05 мм, и механической обработке в случае необходимости подвергают лишь поверхности, сопряжения со смежными деталями, поскольку остальные поверхности имеют приемлемые точность и шероховатость; 3. Возможность получения изделий очень сложной формы, которые нельзя без напусков изготовить ковкой; 4. Большей простотой работы штамповщика по сравнению с работой кузнеца и, соответственно, более быстрым обучением первого. | По сравнению с ковкой горячая объёмная штамповка обладает следующими недостатками: 1. Значительное ограничение получаемых изделий по массе (до 3,5 т); 2. Намного большие силы деформирования и, соответственно, необходимость использования значительно более мощного оборудования, чем при ковке; это обусловлено тем, что при штамповке одновременно деформируется вся заготовка, а не её часть, причём течение металла затрудняется сопротивлением стенок полости штампа; 3. Высокая стоимость специального инструмента – штампа, который значительно более сложен и делается из более качественной инструментальной стали, чем универсальный ковочный инструмент, но при этом может быть использован для изготовления поковки только одного определённого типоразмера. |
4. Штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) (рис. 46Д)
|
Рис. 46Д Штамповка на горизонтально-ковочной машине (ГКМ) При штамповке на ГКМ применяются многоручьевые закрытые штампы, состоящие из пуансона и разъемных матриц. Пруток 1 нагретым концом укладывается в неподвижную половину матрицы 2 и подается до упора 3. Пуансон 4 в это время находится в крайнем правом положении (рис. 46Д , а). Затем (рис. 46Д, в), пуансон 4 деформирует конец прутка с усилием Рд до тех пор, пока не образуется готовая поковка. После этого (рис. 46Д, г) подвижная часть матрицы 5 и пуансон 4 отводятся в первоначальное положение. Штампованная поковка 6 извлекается из штампа. Упор 3 занимает исходное положение. Цикл штамповки повторяется. Основной операцией при изготовлении поковок на ГКМ является высадка, часто сопровождающаяся прошивкой. |
Преимущества и недостатки штамповки на ГКМ
| Преимущества | Недостатки |
| 1. Высокая производительность ( сотни деталей в час), | 1. Ограниченность номенклатура получаемых изделий (ГКМ предназначены для штамповки поковок, имеющих форму простых или усложненных выступами или впадинами тел вращения); 2. Высокая стоимость ГКМ, которая примерно в 1,5 раза выше, чем стоимость горячей объемной штамповки той же мощности. |
|
Рис. 47Д. Поковки ролика, получаемые различными способами штамповки (показаны только напуски; припуски на механическую обработку условно не показаны) а – требуемое изделие (ролик); б – поковка при штамповке в открытом штампе; в – поковка при штамповке в закрытом штампе; г – поковка при штамповке в закрытом штампе с двумя плоскостями разъёма на ГКМ | |
Продукция штамповки на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) (рис. 48Д)
|
Рис. 48Д Типовые поковки, получаемые штамповкой на ГКМ |
V.II. Холодная штамповка
Холодная штамповка (ХШ) выполняется без предварительного нагрева исходной заготовки (холодная обработка) или с нагревом до температуры Тнагрева < 0,3Тплавления (полугорячая обработка). Различают холодную объемную и холодную листовую штамповку.
1. Холодная объемная штамповка (ХОШ).
Основными операциями холодной объемной штамповки являются: холодное выдавливание, холодная высадка, холодная объемная формовка.
1.1. Холодное выдавливание - формообразование сплошных или полых изделий в результате пластического течения металла исходной заготовки из полости штампа через отверстия соответствующей формы. Схема холодного выдавливания аналогична схеме прессования.
Исходная заготовка – в отличии от прессования, исходной заготовкой при выдавливании является обычно не слиток, а заготовка, отрезанная от прутка или (реже) от листа. Оборудования: кривошипные гидравлические и механические прессы.
Инструмент: пуансон и разъемные матрицы. Матрицы выполняются разъемными для обеспечения извлечения из них полученного в результате выдавливания изделия.
Различают прямое, обратное, комбинированное и боковое выдавливание.
А. Прямое и обратное выдавливание
При прямом выдавливании металл течет из матрицы в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона (см. схему прямого прессования (рис. 20Д, а). ; рис. 21Д).
При обратном выдавливании металл течет в направлении, противоположном направлению движения пуансона (см. схему обратного прессования (рис. 20Д, б).
Б. Комбинированное выдавливание (рис. 49Д).
В. Боковое выдавливание. (рис. 50Д)
|
Рис. 49Д. Комбинированное выдавливание. | 1 – пуансон; 2 – разборная матрица; 3 – обрабатываемый металл; Р – усилие выдавливания. При комбинированном выдавливании металл исходной заготовки течет как в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона 1, так и в противоположном направлении (направления течения металла указаны стрелками). |
|
Рис. 50Д. Боковое выдавливание. | 1 – пуансон; 2 – разборная матрица; 3 – обрабатываемый металл; 4 – разъем матрицы; Р – усилие выдавливания. При боковом выдавливании металл течет в боковое отверстие (или несколько отверстий) матрицы под углом к направлению движения пуансона (направления течения металла показано стрелкой). |
Продукция выдавливания. Выдавливанием получают сплошные и полые изделия преимущественно цилиндрической формы . Например: корпуса автомобильных свечей зажигания; детали типа стержня с утолщением, трубки с фланцем, стакана с фланцем; тройники и т. д.
Точность размеров и параметры шероховатости изделий те же, что после обработки резанием
1.2. Холодная высадка – операция уменьшения части длины исходной заготовки с получением местного увеличения поперечных размеров.
Исходная заготовка: пруток, проволока.
Оборудования: холодновысадочные автоматы.
Инструмент: пуансон и матрица.
Процесс холодной высадки похож на процесс штамповки на горизонтально- ковочных машинах.
Получаемая продукция: заклепки, болты, винты, гвозди и т.д.
1.3. Холодная объемная формовка – холодная штамповка в открытых штампах (см. рис. 39Д).
Холодной объемной штамповкой обрабатывают пластичные металлы. Металлы с пониженной пластичностью обрабатывают за несколько переходов. Между переходами изделия иногда подвергают отжигу с целью уменьшения упрочнения металла. В ряде случаев применяют полугорячую обработку исходной заготовки.
Преимущества и недостатки холодной объемной штамповки
| Преимущества | Недостатки |
| 1. Холодная деформация без предварительного нагрева исходной заготовки позволяет получать бόльшую размерную точность и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при высоких температурах. 2. Холодная деформация значительно повышает производительность и облегчает применение средств механизации и автоматизации производства. | 1. Возможность обработки только пластичных металлов. |
V.I. Специальные способы обработки металлов давлением
К специальным способам обработки металлов давлением относятся: штамповка на ковочных вальцах (вальцовка) (рис. 61Д); штамповка на ротационно-ковочных машинах (рис. 62Д); раскатка (рис. 63Д); накатка зубчатых колес (рис. 64Д); высадка на электровысадочных машинах (рис. 65Д); электромагнитная штамповка (штамповка в импульсном магнитном поле) (рис. 66Д); электрогидравлическая штамповка (рис. 67Д), штамповка взрывом (рис. 68Д).
|
Рис. 61Д Штамповка на ковочных вальцах (вальцовка) Вальцовка – получение из листовых заготовок волнистой поверхности и других различных выступов | Исходная заготовка пруток или лист. Нагретая исходная заготовка 1 подается с помощью захвата 5 до упора 2 при открытых секторных штампах 3. При повороте секторных штампов 3 происходит захват заготовки и ее обжатие по форме полости штампа. Одновременно с обжатием заготовка выталкивается в направлении, указанном горизонтальной стрелкой. В результате формируется поковка 4. Продукция. Поковки типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т.п. | ||
|
Рис. 62Д Штамповка на ротационно-ковочных машинах | Исходная заготовка – пруток, труба. Штамповка на ротационно-ковочных машинах заключается в местном обжатии исходной заготовки по периметру Исходную заготовку 1 в виде прутка или трубы помещают в отверстие между бойками 2 машины, находящимися в шпинделе 3. Бойки могут свободно скользить в радиально расположенных пазах шпинделя. При вращении шпинделя ролики 4, помещенные в обойме 5, толкают бойки 2, которые наносят удары по заготовке. В исходное положение бойки возвращаются под действием центробежных сил. Процесс ведется как в холодном , так и в горячем состояниях. Продукция. На легких ротационно-ковочных машинах обрабатывают швейные иглы диаметром до 0,3 мм, а на тяжелых – стальные трубы диаметром до 320 мм и сплошные ступенчатые валы диаметром до 250 мм. | ||
|
Рис. 63Д. Раскатка | Исходная заготовка - кольцо с меньшим диаметром и большей толщиной стенки, чем у получаемой поковки. При подведении к исходной заготовке 1, надетой на валок 2, быстро вращающегося валка 3 заготовка и валок 2 начинают вращаться. При дальнейшем сближении валков 2 и 3 под действием силы Р увеличивается наружный диаметр исходной заготовки в результате уменьшения толщины стенки и происходит ее контакт с направляющим роликом 4, обеспечивающим получение правильной кольцевой формы наружной поверхности поковки. После касания поковкой контрольного ролика 5 раскатка прекращается. Продукция. Кольца ( в том числе кольца подшипников) с наружным диаметром 70…700 мм и шириной 20…180 мм. | ||
|
Рис. 64Д Накатка зубчатых колес | Поверхностный слой исходной цилиндрической заготовки 1 с помощью индуктора 2 нагревается током высокой частоты (ТВЧ). Валок 4 , имеющий форму зубчатого колеса, получает принудительное вращение и поступательное перемещение под действием силы Р. Валок 4 вдавливается в заготовку 1 , формируя в ней профиль зубьев. Ролик 3, свободно вращаясь на валу, формирует внешнюю поверхность зубьев. Поверхностный нагрев повышает износостойкость и усталостную прочность зубьев. | ||
|
Рис. 65Д Высадка на электровысадочных машинах | Исходная заготовка – труба, пруток. Исходная заготовка 2 подается до упора 1 и зажимается в радиальном скользящем электроконтакте 3 усилие Р1. Через исходную заготовку пропускается электрический ток. Источником переменного тока является трансформатор 4. Ток нагревает участок исходной заготовки, находящийся между электроконтактом 3 и упором 1.При достижении определенной температуры производится осадка заготовки 2 с усилием Р2. В результате осадки нагретая концевая часть исходной заготовки деформируется. Продукция. Валы и трубы с концевыми утолщениями. | ||
|
Рис. 66Д Электромагнитная штамповка (штамповка в импульсном магнитном поле) | Электромагнитная штамповка основана на преобразовании электрической энергии в механическую. Полая исходная заготовка 2 устанавливается в зазор между разъемной матрицей 1 и соленоидом (индуктором)* 3. При разряде батареи конденсаторов 4 (время разряда 40-50 мкс) на соленоид 3 вокруг соленоида возникает мгновенное магнитное поле высокой мощности. Это магнитное поле наводит вихревые токи в трубчатой токопроводящей исходной заготовке 2, которые, возникнув, также создают свое магнитное моле. Взаимодействие магнитных полей вихревых токов с магнитным полем индуктора приводит к отталкиванию исходной заготовки от индуктора со скоростью 200 – 300 м/с. Исходная заготовка 2 ударяется о разъемную матрицу 1, деформируется и принимает форму ее внутренней полости. Особенность электромагнитной штамповки - высокая скорость деформирования *Соленоид (индуктор) – спиральные витки из токопроводящего материала. Продукция. Листовые и трубчатые штампованные поковки толщиной до 5 мм |
|
Рис. 67Д Электрогидравлическая штамповка крышки | Исходная заготовка – лист. Исходная заготовка 1 укладывается на матрицу 2 и накрывается крышкой 3. В полость 4 заливается вода. Полость матрицы под заготовкой вакуумируется при помощи вакуумного насоса (Вн). При разряде батареи конденсатор 5 на электроды 6 возникает воздушный пузырь 7, расширение которого сопровождается образованием ударных волн 8. Под действием этих волн заготовка деформируется и принимает форму матрицы. Продукция. Листовые штампованные поковки. Максимальный размер изделия до 1 метра, максимальная толщина до 12 мм. Особенность электрогидравлической штамповки - высокая скорость деформирования |
|
Рис. 68Д Штамповка взрывом | Исходная заготовка – лист. Штамповка взрывом осуществляется в бассейнах, наполненных водой. Заготовку 3, зажатую между матрицей 5 и прижимом 4 опускают в бассейн с водой 2. Полость матрицы под заготовкой вакуумируется при помощи вакуумного насоса (Вн). Заряд с детонатором 1 подвешивают в воде над заготовкой. Взрыв образует волну высокого давления, которая, достигая заготовки, вызывает ее разгон. Процесс штамповки длится тысячные доли секунды. Продукция. Листовые штампованные поковки. Рекомендуемая толщина до 12 мм. Особенность штамповки взрывом - высокая скорость деформирования |
ЛЕКЦИЯ 11. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ-ОБОЛОЧЕК ИЗ ЛИСТОВОЙ ШТАМПОВКИ
2. Холодная листовая штамповка (ХЛШ).
Изделия листовой штамповки имеют массу и размеры от долей грамма и миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов) до десятков килограммов и нескольких метров (облицовка автомобиля или самолёта). Для листовой штамповки характерно то, что толщина изделий незначительно отличается от толщины исходной заготовки.
Исходная заготовка - лист. В зависимости от толщины листа-заготовки штамповку можно условно разделить на тонколистовую (толщина листа меньше 4 мм) и толстолистовую (толщина листа от 4 до 20 мм). Листовой металл толщиной свыше 15 мм, как правило, штампуют в горячем состоянии
При холодной листовой штамповке различают разделительные и формоизменяющие операции.
2.1. Разделительные операции.
К основным разделительным операциям относятся: отрезка, вырубка, пробивка.
2.1.1. Отрезка – разделение исходной заготовки на части по замкнутому или незамкнутому контуру.
Оборудование.
Листовые ножницы: а – параллельные и гильотинные (рис. 51Д); б – дисковые (рис. 52Д).
Отрезка
| L
1 1  3 3 
4 4 
2 2  П z а б в Рис. 51Д. Параллельные и гильотинные листовые ножницы а - параллельные ножницы; б – гильотинные ножницы. 1 – подвижный нож; 2 – опорный нож; 3 – прижим; 4 – упор; Рпр – усилие прижима исходной заготовки (листа); Рр – усилие реза исходной заготовки (листа); Sп – направление подачи исходной заготовки (листа). Исходная заготовка (лист) при поднятом прижиме 3 подается до упора 4. Длина получаемой после реза полосы определяется расстоянием от плоскости П до упора 4 (рис. 51Д, а). Затем лист поджимается упором 3 и отрезается при опускании подвижного ножа 1. В гильотинных ножницах (рис. 51Д, б) для уменьшения усилий резания режущие кромки ножей наклонены друг к другу под углом α (α =1…5). Качестве поверхности среза зависит от правильного выбора и установки зазора Z между режущими кромками ножей (рис. 51Д, в). Обычно величину зазора Z подсчитывают по формуле Z = (0,03…0,05) S, где S - толщина листа, мм. На параллельных и гильотинных ножницах выполняется прямолинейный рез по незамкнутому контуру. Ширина отрезаемой полосы ограничена шириной подвижных ножей L. | |
|
Рис. 52Д. Дисковые листовые ножницы. 1 – вращающиеся ножи. | Отрезаемый лист подается в дисковые ножницы 1 при наличии между ними зазора. Затем ножницы сводятся с усилием Р и захватывают заготовку. Ножницы приводятся во вращение. Вращение дисковых ножей обеспечивает не только разделение, но и подачу исходной заготовки действием сил трения. Для обеспечения захвата и подачи заготовки диаметр ножей должен быть в 30 – 50 раз больше толщины отрезаемой заготовки (чем меньше коэффициент трения между ножами и заготовкой, тем больше должен быть диаметр ножей). Прямолинейность реза в поперечном сечении обеспечивается тем, что режущие кромки ножей заходят друг за друга. На дисковых ножницах выполняются резы как по замкнутому, так и незамкнутому контуру, Длина отрезаемой полосы не ограничивается размерами ножей. |
Р пр Рр Рпр Рр
Sп
2
2.1.2. Вырубка и пробивка (рис.53Д).
Оборудование: механические или гидравлические прессы.
Инструмент: пуансон, матрица.
Вырубка и пробивка
|
Рис. 53Д Вырубка и пробивка | 1-пуансон, 2- матрица, 3- изделие при пробивке, 4-прижим, 5-изделие при вырубке; 6 – опора; Р пр – усилие прижима исходной заготовки; Р – усилие вырубки (пробивки). Вырубка – разделение исходной заготовки по замкнутому контуру, когда изделием является часть заготовки 5, смещаемая в матрицу. Пробивка – разделение исходной заготовки по замкнутому контуру, когда изделием является часть заготовки с пробитым отверстием 3, не смещаемая в матрицу. |
.
2.2. Операции формоизменения
К основным операциям формоизменения относятся: вытяжка (рис. 55Д), отбортовка (рис. 56Д), обжим (рис. 57Д), раздача (рис. 58Д), гибка (рис. 59Д), формовка (рис. 60Д).
Оборудование: механические или гидравлические прессы.
Инструмент: пуансон, матрица.
Операции формоизменения
|
Рис. 55Д. Вытяжка. Вытяжка - операция формоизменения плоской исходной заготовки в объемную полую деталь | а –исходное положение; б – е – переходы вытяжки; 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – исходная заготовка; 4 – прижим; 5 – заготовка для следующего перехода или продукция вытяжки; 6 - заготовка для следующего перехода или продукция вытяжки; 7 - заготовка для следующего перехода или продукция вытяжки; 8 - продукция вытяжки; Рпр – усилие прижима заготовки; Р – усилие вытяжки. Условие вытяжки без разрушения металла: mв = D / d = 1,8 – 2,1 где: mв – коэффициент вытяжки. Если mв > 2,1 – вытяжка выполняется за несколько переходов |
| Примеры продукции, полученной после вытяжки. | |
Операции формоизменения
|
Рис. 56Д. Отбортовка Отбортовка - операция образования в изделии с предварительно пробитым отверстием борта или горловины | а –исходное положение; б – отбортовка 1- пуансон; 2- матрица; 3- исходная заготовка, 4- прижим; 5-продукция отбортовки; Рпр – усилие прижима заготовки; Р – усилие отбортовки. Условие увеличения диаметра отверстия исходной заготовки без разрушения металла: mо = D / d = 1,2 – 1,8 где: mо – коэффициент отбортовки. Если mо >1,8 – отбортовка выполняется за несколько переходов. Условие перпендикулярности стенок: d / D ≥ 0,5 |
|
Примеры продукции, полученной после отбортовки: а – заготовка для отбортовки; б – готовое изделие | |
Операции формоизменения
|
Рис. 57Д. Обжим Обжим – операция уменьшения диаметра краевой части исходной заготовки. | а – исходное положение; б – обжим; 1 – матрица; 2 – исходная заготовка; 3- продукция обжима; Р – усилие обжима. Условие уменьшения диаметра исходной заготовки без разрушения металла: d = (0,7 – 0,8)D Если d < (0,7 – 0,8)D, обжим выполняется за несколько переходов. Примеры продукции, полученной после обжима |
Операции формоизменения
|
Рис. 58Д. Раздача Раздача – увеличение диаметра цилиндрической заготовки на краевом участке исходной заготовки | а – исходное положение; б – раздача; 1 –пуансон; 2 – исходная заготовка; 3- продукция раздачи; Р – усилие обжима. Условие отсутствия разрушения металла при увеличении диаметра исходной заготовки: mр = D / d = 1,2 – 1,8 где: mр – коэффициент раздачи. Если mр > 1,8 – раздачу выполняют за несколько переходов Примеры продукции, полученной после раздачи.
|
| а б Рис. 59Д. Гибка - придание заготовке изогнутой формы | а – исходное положение; б –гибка; 1 –пуансон; 2 – матрица; 3 – исходная заготовка; 4 –изделие гибки; Р – усилие гибки. |
Операции формоизменения
|
Рис. 60. Формовка. Формовка – операция получения местных углублений и выпуклостей в исходной заготовке при неизменных её габаритных размерах в результате утонения листа в зоне деформации | а –исходное положение; б – формовка; 1- пуансон; 2- матрица; 3- исходная заготовка, 4- прижим; 5-продукцияформовки; Рпр – усилие прижима заготовки; Р – усилие формовки. |
|
Примеры продукции, получаемой формовкой: а – диагональные рёбра жёсткости; б – кольцевые рёбра жёсткости; в – сферические углубления | |
ЛЕКЦИЯ 12. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ, ПРОКАТКОЙ, ПРЕССОВАНИЕМ, ВОЛОЧЕНИЕМ
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
