Краткие теоретические сведения об обработке металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Краткие теоретические сведения об обработке металлов давлением



1. Термомеханические модели сопротивления материалов пластическим деформациям. Горячая и холодная обработка металлов давлением

При деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал при деформации в этих условиях упрочняется.

Повышение температуры деформации способствует возвращению металла из структурно-неустойчивого состояния, полученного в результате пластических деформаций, в более устойчивое структурное состояние. Снятие искажений кристаллической решетки называется возвратом, или отдыхом. При повышенных температурах происходит образование новых зерен - рекристаллизация. Абсолютная температура, при которой отдых и рекристаллизация происходят более интенсивно, чем искажение кристаллической решетки и упрочнение, пропорциональна абсолютной температуре плавления. Для металлов обычной технической чистоты отношение абсолютной температуры рекристаллизации к абсолютной температуре плавления равно 0,3-0,4:

.

Отношение абсолютной температуры к абсолютной температуре плавления называют гомологической температурой.

Для сплавов, особенно для жаропрочных сплавов, рекристаллизация соответствует более высоким гомологическим температурам, которые в некоторых случаях достигают 0,8.

Например, для стали при температуре плавления Т_пл=1811 К при комнатной температуре Т= 273+20=293 К гомологическая температура , а для свинца, имеющего температуру плавления 600 К при той же комнатной температуре гомологическая температура равна .

Поэтому стальной образец при растяжении или сжатии в этих условиях будет упрочняться с ростом деформации, а свинцовый не будет упрочняться. Для стали в этих условиях имеет место «холодная» деформация, а для свинца - «горячая».

Холодной называют деформацию, осуществляющуюся при температуре ниже температуры рекристаллизации. Характерным признаком холодной деформации является изменение структуры кристаллической решетки и формы зерен, которые вытягиваются в направлениях наибольших линейных деформаций (в главных направлениях деформации), образуя текстуру металла. Структурные изменения и образование текстуры сопровождаются изменением механических и физико-химических свойств металла - упрочнением. Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, как правило, могут быть устранены последующей термической обработкой - отжигом.

В этих условиях деформирования, характерных для невысокой температуры и постоянной невысокой скорости деформации зависимость интенсивности напряжений от интенсивности деформаций принято аппроксимировать функцией степенного вида:

.

Холодная обработка давлением обеспечивает получение деталей с чистыми поверхностями и точными размерами, а также с повышенными механическими свойствами в сравнении со свойствами исходного материала. Холодная обработка давлением является малоотходным и высокопроизводительным способом получения заготовок и деталей. Недостатки холодной обработки давлением - относительно небольшая пластичность, ограничивающая получение больших деформаций и существенное изменение формы деформируемых деталей, а также увеличенные силы деформирования, возникновение внутренних напряжений, трещин и др. Холодная обработка давлением чаще применяется для получения небольших деталей, иногда в сочетании с предварительным нагревом до температуры ниже температуры рекристаллизации.

Горячей называют деформацию при температуре, равной или выше температуры рекристаллизации. При горячей деформации рекристаллизация успевает произойти во всем деформированном объеме заготовки одновременно с деформированием, в результате чего микроструктура металла оказывается равноосной и упрочнение снимается.

При горячей обработке давлением сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной (рис. 1).

Для сталей горячая обработка давлением соответствует гомологическим температурам 0,6-0,8. Поэтому ее можно применять для изготовления более крупных деталей. С повышением температуры нагрева увеличивается пластичность металлов и сплавов, что позволяет снизить число переходов (ручьев, калибров) при формообразовании сложных деталей.

При необходимости учесть влияние температуры на предел текучести используют уравнения экспоненциального или степенного вида:

,

.

Если металл по окончании деформации имеет не полностью рекристаллизованную структуру, со следами упрочнения, то такую деформацию называют неполной горячей.

Рис. 1 Влияние температуры на предел прочности стали 45

Зависимости предела текучести деформируемого материала от интенсивности деформаций при горячей деформации при постоянной температуре и постоянной скорости деформации имеют вид прямой, параллельной оси деформации:

.

В отличие от температуры, повышение которой приводит структуру металла к равновесному состоянию, повышение скорости деформации уменьшает время, необходимое для рекристаллизации и разупрочнения, и напротив приводит к повышению предела текучести, т.е. к упрочнению. При повышенных температурах влияние скорости деформации усиливается.

При относительно небольших изменениях скорости деформации ее влияние на предел текучести, как правило, несущественно. Однако различные технологические способы механической обработки материалов могут весьма существенно отличаться уровнями скорости деформации. Так, например, при горячей прокатке скорости деформации могут изменяться в 10 000 раз: от 0,1 с^-1 для блюмингов и слябингов, до 1000 с^-1 - для проволочных станов горячей прокатки. В этих случаях влияние скорости деформации и температуры необходимо учитывать (рис. 2).

Рис. 2 Влияние скорости деформации и температуры на предел прочности стали 45 при относительном удлинении = 20

Отношение пределов текучести при повышенной скорости деформации и при скорости деформации, соответствующей стандартным условиям испытаний, называют коэффициентом динамичности K. Для крупных заготовок необходимо учитывать также и масштабный фактор (рис. 3).

Рис. 3. Влияние диаметра заготовки на коэффициент , учитывающий влияние масштабного фактора на предел текучести

Уравнения, связывающие предел текучести деформируемого материала с факторами, характеризующими условия деформирования, иногда называют определяющими уравнениями.

Уравнения могут рассматриваться как частные случаи более общего определяющего уравнения, отражающего влияние на предел текучести и деформации, и скорости деформации, и температуры. Примером такого обобщенного определяющего уравнения может служить функция вида

где Т = Т - Т₀ - приращение гомологической температуры.

2. Нагрев металла перед обработкой давлением

Металл нагревают перед обработкой давлением в нагревательных печах или в электронагревательных устройствах. Наиболее распространены камерные печи (рис. 4), в которых рабочее пространство печи нагревается путем передачи тепла конвекцией и излучением из окружающего пространства нагревательной камеры до необходимой и контролируемой температуры сжиганием газообразного или жидкого топлива (мазута).

Максимальную температуру нагрева заготовок под обработку давлением назначают такой, чтобы снизить механические характеристики до требуемого уровня, но избежать при этом пережога и перегрева.

металл давление ковка штамповка

Рис. 4 Камерная нагревательная печь 1 - под, 2 - заготовки, 3 - горелки, 4 - окно загрузки-выгрузки заготовок

Рациональные температуры нагрева различных материалов определяются на основании опытных или теоретических данных с учетом диаграмм состояния сплавов (табл. 1.).

Таблица 1 Рациональные температуры нагрева различных сплавовпод обработку давлением

Материал	Диапазон рациональных температур, С
Алюминиевый сплав АК4	470-350
Медный сплав БрАЖМц	900-750
Титановый сплав ВТ8	1100-900
Сталь 45	1200-750
Сталь У10	1100-850

Пережог металла может произойти при температурах, близких к температуре плавления. Он проявляется в окислении границ между зернами и появлении хрупкой пленки, вызывающей потерю пластичности. Пережог не подлежит исправлению, такой металл отправляется в переплавку. Перегрев металла происходит при несколько более низких температурах, чем пережог. Перегрев проявляется в чрезмерном росте размеров аустенитных зерен при первичной кристаллизации и как следствие в крупнозернистой вторичной кристаллизации (феррит и перлит или перлит и цементит). Это приводит к снижению механических характеристик. Последствия перегрева в большинстве случаев удается устранить с помощью термообработки, однако это сопряжено со значительными трудностями и дополнительными затратами.

Нагрев заготовок в нагревательных печах происходит медленнее, чем в электронагревательных устройствах. Этот способ менее производителен, экологически менее чист, однако он с большей надежностью позволяет избежать перегрева и пережога. Это связано с тем, что внутри рабочего пространства печи устанавливается требуемая максимальная контролируемая и регулируемая температура, которая не может быть превышена. Время нагрева заготовки может быть приближенно оценено с помощью известного решения о количестве тепла, поступающего в стержень, торец которого находится при постоянной температуре. Существуют и другие, более точные теоретические решения, учитывающие конечные размеры и форму заготовок, однако для качественного анализа ограничимся упомянутым более простым решением.

При большом времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, в результате чего образуется окалина - слой, состоящий из оксидов железа: Fe₂О₃, Fe₃O₄, FeO. Кроме того, происходит обезуглероживание поверхностного слоя металла. Толщина обезуглероженного слоя в отдельных случаях достигает 1,5 - 2 мм. Для уменьшения окисления заготовки нагрев следует производить в нейтральной или восстановительной атмосфере.

Определим количество тепла Q , поступившего через торец стержня площадью F при его нагреве:

.

Общее количество теплоты, которое должно быть сообщено заготовке соответствует

.

Приравнивая количество тепла Q требуемому Q^*, найдем время нагрева.

Из приведенных примеров видно, что увеличение размеров заготовки существенно влияет на время ее нагрева. Если для нагрева заготовки под штамповку весом 7,8 кг до температуры 1200 С потребовалось около 5 минут, то для нагрева слитка весом 7,8 т, предназначенного для обжима на блюминге, - 8,5 часа (рис. 5).

а)

б)

Рис. 5 Оценка времени нагрева заготовок из стали 45

3. Ковка и горячая объемная штамповка

Определение деформаций, работы и усилия при осадке

Ковка - способ обработки металлов давлением, осуществляемый с помощью кузнечного инструмента или штампов, при котором инструмент оказывает многократное, прерывистое воздействие на нагретую заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданные форму и размеры. Ковка является единственным способом изготовления крупных поковок (до 250 т): валов гидрогенераторов, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и т.д.

Ковка может быть свободной или в подкладных штампах, ручной или машинной, осуществляемой на паровоздушных молотах или на ковочных гидравлических прессах. Ковку обычно применяют в мелкосерийном или единичном производствах, а также для изготовления крупных поковок.

Горячая объемная штамповка (или штампование) - это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляется в специальных инструментах - штампах. По наличию или отсутствию заусенца различают штампы открытые и закрытые, в зависимости от температуры нагрева заготовок - для холодного и горячего штампования, по виду операций: формовочные, высадочные, прошивные и т.д., по применяемому оборудованию - молотовые и прессовые. Основные детали штампа - пуансон и матрица. Штампы молотовые и для кривошипных горячештамповочных прессов состоят из верхней и нижней частей, на соприкасающихся частях которых имеются ручьи для последовательного формообразования изделия. Изготавливают штампы из углеродистых и легированных, главным образом хромом, штамповых сталей.

Штамповка в открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В зазор вытекает заусенец (облой). По мере уменьшения зазора металл, находящийся в этом зазоре между частями штампа, интенсивно охлаждается, увеличивается предел текучести металла и возрастает сопротивление перемещению заусенца. Благодаря этому заполняется вся полость штампа, и только излишки металла вытесняются в заусенец. Заусенец (облой) впоследствии обрезается в специальных (обрезных) штампах.

При штамповке в закрытых штампах зазор между подвижной и неподвижной частями штампа достаточен для относительного перемещения частей штампа, но не для образования заусенца. Поэтому во избежание незаполнения углов полости штампа или увеличения высоты поковки необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки металла и поковки.

К штамповке в закрытых штампах можно отнести и штамповку выдавливанием.

Горячая объемная штамповка применяется в крупносерийном или массовом производствах. Она позволяет получать поковки сложной конфигурации с минимальными напусками и меньшими допусками. Производительность штамповки значительно выше, чем ковки.

В то же время штамп - дорогостоящий инструмент, предназначенный для изготовления только одной конкретной поковки.

Усилия при штамповке больше, чем для ковки одинаковых поковок. Поэтому вес поковок, изготавливаемых объемной штамповкой, редко превышает 20-30 кг.

Осадкой называют такую технологическую операцию обработки давлением, при которой уменьшается высота исходной заготовки при одновременном увеличении площади ее поперечного сечения.

Рассмотрим осадку цилиндрического образца между двумя плоскими поверхностями, перпендикулярными оси осаживаемого цилиндра (рис. 6).

Рис. 6 Операция осадки цилиндрического образца: а) - без трения на торцах (идеальный случай), б) - при наличии трения на торцах (реальный случай)

Для устойчивости при осадке цилиндрических заготовок высота заготовки должна быть не более двух с половиной ее диаметров:

В идеальном случае при отсутствии трения на торцах цилиндрического образца деформации будут однородны по всему объему. При этом исходный цилиндр в результате осадки преобразуется также в цилиндр меньшей высоты, но большего диаметра (рис. 2.6, а). Однако в действительности из-за трения на торцах цилиндрического образца деформации будут неоднородными. Образец после осадки приобретает форму бочки (рис. 2.6, б).

Осадку производят на прессах или молотах как одну из операций (или переходов) технологического процесса обработки давлением.

Определим приращение работы деформирования при осадке:

,

где V - объем, F - площадь поперечного сечения деформируемой заготовки, p - давление.

Соответственно, работа деформации определяется по формуле

.

С учетом выражения (2.10) среднее усилие P деформирования при осадке рассчитывается следующим образом:

.

При одноосном сжатии . Однако, можно допустить, что, заменив истинную линейную деформацию интенсивностью деформаций, можно применять эту формулу для оценки усилия и при возникновении бочкообразности, то есть при появлении сдвиговых компонентов деформации.

Как показал профессор Сторожев М.В., увеличение давления p по отношению к пределу текучести _T с учетом трения на торцах цилиндра зависит от отношения диаметра заготовки к ее высоте:

При этом работа деформации при осадке соответствует выражению

Во избежание появления трещин, других дефектов величину деформации _Zи или _i за 1 удар молота необходимо ограничивать, например, _Z1=0,03.

Прошивка представляет собой операцию при ковке или штамповании (штамповке) поковок, осуществляемую для получения глубокой полости или сквозного отверстия в теле поковки путем вдавливания в нее прошивня.

Операция прошивка подразделяется на открытую и закрытую, рис.7.

Рис. 7 Схемы прошивки а) - открытая, б) - закрытая

При открытой прошивке боковые поверхности заготовки свободны от нагрузки. При этом исходная высота заготовки уменьшается (заготовка осаживается, а диаметр неравномерно увеличивается. Форма заготовки при открытой прошивке искажается (приобретает бочкообразность) тем больше, чем меньше отношение исходного диаметра цилиндрической заготовки к диаметру прошивня.

При закрытой прошивке диаметр заготовки равен диаметру матрицы, а высота заготовки увеличивается, причем тем больше, чем меньше отношение . Высота заготовки может быть вычислена из условия постоянства объема.

При выдавливании происходит истечение металла, заключенного в контейнер через отверстие в нем (матрицу) (рис. 8.). Конфигурация матрицы определяет сечение выдавливаемой заготовки.

На рис. 2.8 представлен метод прямого выдавливания: металл течет в сторону движения пуансона. При обратном методе выдавливания металл течет навстречу движению пуансона. Этим методом могут быть получены детали типа втулок, труб.

Рис. 8 Схема операции выдавливания: 1 - пуансон, 2 - пресс-шайба, 3 - контейнер, 4 - деформируемый металл, 5 - корпус штампа, 6 - деформированная заготовка, 7 - кольцо подкладное

4. Ковочные молоты. Обоснование выбора молота

Ковку выполняют на ковочных молотах и на ковочных гидравлических прессах.

Молот - машина для обработки металлических заготовок ударами падающих частей. По роду привода молоты бывают паровоздушными, действующими от пара или сжатого воздуха давлением 0,7-0,9 МПа, пневматическими, работающими за счет разряжения и сжатия воздуха, находящегося между рабочим и компрессорным поршнями, механическими, подвижные части которых механически связаны с двигателем, гидравлическими, приводимыми в действие жидкостью высокого давления. По способу работы различают молоты простого и двойного действия. В первых падающая часть (баба) падает свободно, под действием собственного веса, а во вторых - дополнительно разгоняется. Скорости бабы высокоскоростных молотов достигают до 25 м/с вместо 3-6 м/с у обычных молотов. Паровоздушные ковочные молоты строят с массой падающих частей 1000-8000 кг, а штамповочные - 630-25 000 кг. На ковочных молотах изготовляют поковки от 20 до 350 кг, как правило, из прокатанных заготовок.

Основание ковочного молота (шабот) имеет массу, значительно (примерно в 15 раз) превышающую массу падающих частей. Шаботы штамповочных молотов еще массивнее - в 2-30 раз больше массы падающих частей. Это обеспечивает высокий к.п.д. удара: и высокую точность соударения частей штампа.

У бесшаботных паровоздушных молотов шабот заменен нижней подвижной бабой, соединенной с верхней бабой механической или гидравлической связью.

Необходимый молот выбирают на основании расчета или по справочным таблицам.

Рассмотрим выбор молота на конкретном примере.

Дана стальная заготовка диаметром d₀=160 мм, высотой h₀= 300 мм. Необходимо осадить заготовку до высоты h₁=200 мм. Предел прочности стали при 20 С _в=750 МПа, а при 1100 С - 35 МПа, к.п.д. =0,8, коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора на предел текучести, =0,65. Коэффициент динамичности, учитывающий влияние скорости деформации на предел текучести при температуре 1100 С равен K= 2. Высота падающих частей над наковальней - H_м=2 м.

Требуется определить минимальный вес падающих частей молота, выбрать молот и определить необходимое число ударов молота.

Проверка заготовки на устойчивость:

Определим диаметр заготовки после осадки из условия постоянства объема

.

Объем заготовки:

.

Предел текучести с учетом влияния температуры, скорости деформации и масштабного фактора:

.

Определим полную работу деформации

.

Выберем наибольшее число ударов молота n=6.

Работа, которая должна быть затрачена на деформацию заготовки за 1 удар молота

.

Необходимая минимальная потенциальная энергия падающих частей с учетом к.п.д.

Учитывая, что

,

Найдем

Принимаем 1-тонный молот.

2.5 Прессовое оборудование. Определение деформаций, работы

и усилия при выдавливании и прошивке

Кривошипные штамповочные прессы имеют постоянный ход, равный удвоенному радиусу кривошипа. Штамповка на кривошипных прессах характеризуется высокой производительностью и точностью по высоте заготовок.

Заготовка извлекается из штампа при обратном ходе его верхней части с помощью выталкивателей. Благодаря этому удобно штамповать в закрытых штампах выдавливанием и прошивкой.

Кривошипные штамповочные прессы усилием 6,3-100 МН успешно заменяют штамповочные молоты с массой падающих частей 0,63-10 т. Однако стоимость кривошипного горячештамповочного пресса в 3-4 раза выше стоимости эквивалентного по технологическим возможностям молота.

При штамповке на прессах время контакта пуансона с заготовкой больше, чем на молотах. Это приводит к охлаждению заготовки и худшему заполнению полости штампа. Поэтому плоскость разъема выбирают вблизи торца поковки.

Поскольку в каждом ручье штампа деформация полностью осуществляется за один ход пресса, при штамповке на прессах возникают большие усилия. Расчет усилия при штамповке на прессах очень важен, так как при недостаточном усилии пресса возможна его поломка.

Усилие деформирования существенно зависит от величины деформации, осуществляющейся при штамповании, и от объема деформируемого материала. В качестве примера рассмотрим определение работы и усилия деформирования при выдавливании цилиндрического образца, на диаметральную плоскость которого предварительно нанесена прямоугольная делительная сетка.

После деформации (выдавливания) координатная делительная сетка и контуры самого образца изменяются (рис. 9). Представим сложное деформированное состояние в виде суммы двух более простых: растяжения (рис. 10) и неооднородного осесимметричного сдвига (рис. 11):

Рис. 9 Схема изменения делительной сетки образца после выдавливания

Рис. 10 Схема деформации растяжения цилиндрического образца (в диаметральной плоскости)

Рис. 11 Схема неоднородного осесимметричного сдвига прямоугольного элемента делительной сетки в диаметральной плоскости

А и В - значения координаты Z измеряемой линии без учета сдвига и с учетом сдвига. Поскольку при пластической деформации металлов объем деформируемого металла остается практически неизменным, справедливо соотношение:

, или

Величину называют вытяжкой металла.

Определим относительное удлинение по оси z:

.

Однако эта характеристика деформации используется только для малых деформаций или приращений деформаций. Для конечных деформаций необходимо применять истинные, то есть интегральные характеристики деформации:

Остальные линейные компоненты тензора деформации определятся из условий неизменности объема деформации и условия симметрии (осесимметричности) деформации:

Таким образом, тензор деформации растяжения в приложении к рассматриваемому примеру выдавливания имеет вид



Деформации неоднородного осесимметричного сдвига определяются путем дифференцирования перемещений :

Тензор деформации неоднородного осесимметричного сдвига имеет вид:

Тензор суммарной деформации определим суммированием:

Таким образом, интенсивность деформаций при выдавливании определяется следующим образом:

.



Удельная работа в элементарном объеме с координатами может быть вычислена как произведение интенсивности деформаций на интенсивность напряжений:

.

Поскольку деформированное состояние деформированной заготовки неоднородно, целесообразно вычислить среднюю удельную работу. При этом примем допущение, что в направлении оси z деформации однородны. Кроме того, поскольку свинец при комнатной температуры практически не упрочняется, то на основании условия пластичности Мизеса можно принять, что интенсивность напряжений равна постоянному и известному пределу текучести :

Таким образом, средняя по объему V₀ удельная работа деформации определится по формуле:

Таким образом, удельная работа при выдавливании зависит от интенсивности деформаций, а также от угловых и линейных компонент тензора деформации. В оценке распределения компонент деформации и интенсивности деформации при обработке давлением заключается сложность определения усилия деформирования.

Суммарная сила при прямом выдавливании складывается из силы, необходимой на деформирование металла и силы трения заготовки о поверхность контейнера:

.

Сила деформирования может быть вычислена как отношение мощности деформирования на скорость перемещения пуансона. В свою очередь мощность деформирования определяется как произведение удельной работы деформирования на объем деформируемого материала в единицу времени. Таким образом, сила деформирования соответствует выражению:

.

Дополнительное трение заготовки о стенки контейнера учитывается силой трения:

.

При прошивке деформирующее усилие определяют по удельному давлению и площади поперечного сечения прошивня.

Удельное давление под прошивнем зависит от схемы прошивки (открытой или закрытой) и от отношения исходного диаметра цилиндрической заготовки к диаметру прошивня (рис. 12):



Рис. 12 Зависимости отношения удельного давления к пределу текучести от отношения

При расчете деформирующего усилия необходимо учитывать не только давление металла на прошивень, но и трение металла о боковые поверхности матрицы и прошивня.

Размещено на Allbest.ru