Процесс пластической деформации различного металла, для придания заготовке нужной формы и необходимого размера, называется обработкой металла давлением или ОМД.
Под такую обработку могут попадать только пластичные материалы типа сталь, сплавы меди, магния, алюминия и др., при этом они могут быть холодными или нагретыми.
Давление как способ обработки металла
Под давлением холодный металл деформируется, сплющивается и вытягивается. При этом он становится прочнее и тверже, но теряет пластичность и вязкость. Пластическая деформация увеличивает прочность материала, этот процесс называется наклёп.
При увеличении плотности дислокаций и высокой концентрации точечного дефекта в наклёпе, уменьшается свободное перемещение дислокаций и усложняется дальнейшее пластическое деформирование.
Обрабатывая разогретый металл, получаем увеличенную пластичность, за счёт уменьшения сопротивления. Даже небольшой нагрев уменьшает наклёп, благодаря частичному исчезновению дефектов решётки, при сохранении деформированной формы зерна. Этот эффект называется возврат металла.
Если сильнее разогреть материал, то наклёп полностью пропадёт. Начнётся процесс, при котором деформированные старые зёрна образовывают новые, более совершенные, происходит первичная рекристаллизация. Дальнейший нагрев даётвторичную рекристаллизацию, при котором увеличиваются отдельные зёрна.
Каждый сплав металла, при горячей обработке, имеет два предела — верхний и нижний. Верхняя предельная точка не доходит до линии солидуса (температура плавления) примерно 160−200 °C, а нижняя точка — на 60−70 °C больше температуры, при которой перлит и цементит превращается аустенит.
Зону пережога отделяет от перегрева всего лишь 100 °C, что очень важно, так как пережжённая деталь никуда не годна, она идёт на переплавку. Зона перегрева отличается интенсивным ростом зерна, что делает металл непрочным и хрупким. Чтобы исправить последствия перегрева, необходимо измельчить зерно, для этого применяют термическую обработку — отжиг.
Для получения наименьшего размера зерна, необходимо деформировать материал при наименьшем нагреве, когда температура близка к зоне наклёпа.
Для разогрева заготовок используют пламенные или электрические печи:
- камерные;
- методические;
- индукционные.
Нагрев проводят быстро и равномерно. Это минимизирует термическое напряжение и не даёт вырасти крупному зерну.
Прокат металла
Деформирование происходит во время прокатки заготовки между вращающихся валов. Давление валов уменьшает толщину металла, делая его длиннее и шире. Прокатка используется для обработки стали, цветных металлов и сплавов.
Прокатка бывает:
- продольная;
- поперечная;
- поперечно-винтовая.
Продольная прокатка — при этой обработке заготовка движется поступательно, перпендикулярно валкам, которые движутся в разные стороны и деформируют её в длину. Такой способ используется для изготовления 90% листового и профильного проката.
Поперечная прокатка — заготовка не движется вперёд, крутиться на одном месте. Движение ей придают валки, двигающиеся в одном направлении, деформирующие круглую заготовку в поперечном сечении. Такой вид прокатки применяют для производства валов, зубчатых колёс.
Поперечно-винтовая прокатка — заготовка получает вращательно-поступательное движение от перекошенных валков, расположенных под углом и вращающихся в одном направлении. Металл деформируется одновременно вдоль и поперёк. Такой вид проката используют для изготовления бесшовных труб.
Прокатные валки
На производство прокатных валков идёт легированная сталь или высокопрочный чугун. У каждого валка есть рабочая часть — так называемая бочка, шейка и трефа. Шейка предназначена для вращения в подшипнике, а трефа необходима для соединения валка с муфтой или шпинделем, чтобы получать от них крутящий момент.
Валок может быть гладким или калиброванным, для получения определённого вида проката. Прокат осуществляется на прокатном стане.
Прокатный стан
Прокатные станы разделяются на двух, трёх и многовалковые. Они могут быть со стационарным реверсивным или нереверсивным направлением вращения валов, и с изменяемым направлением вращения валов.
Прокатный стан может быть:
обжимным;- сортовым;
- листовым;
- рельсовым;
- трубопрокатным и др.
Отличаются станы и по размеру, бывают мелко и крупносортные. Крупносортный стан — называется блюмингом либо слябингом. Они предназначены для проката больших слитков в квадратную заготовку — блюм или в прямоугольную — сляб.
Прокатное производство выпускает не только готовую продукцию (трубы, проволока, арматура, рельс), также это заготовки для дальнейших механических обработок. Профиль производственного проката может быть листовым, сортовым, трубным и специальным.
Листовой:
- Тонколистовой прокат металла толщиной менее 4 мм. При толщине листа меньше 0,2 мм это будет фольга или жесть.
- Толстолистовой прокат листа более 4 мм и до 160 мм. Такие изделия получают только при разогретой обработке.
Сортовой:
- Простой прокат — круг, квадрат, прямоугольник, квадрат и т. д.
- Фасонный прокат — тавр, двутавр, уголок, рельс, швеллер.
Трубный:
Для этого изобрели сложный технологический трубопрокатный стан. Трубный прокат даёт возможность получать бесшовную и сварную горячекатаную трубу.
Волочение металла
Холодная заготовка металла протягивается через суживающееся отверстие, это происходит под большим давлением. Такое отверстие называется — волока. Волочение делают, проводя заготовку через несколько отверстий с уменьшением диаметра. Во время этого процесса происходит наклёп. Чтобы снять прочность материала, делают отжиг и травление окалины.
Проволока, калиброванный прут, тонкостенная труба различного профиля — получаются благодаря применению волочения. Продукция выходит точного размера и с чистой поверхностью.
Для того чтобы волока выдерживала жёсткие условия использования, на её изготовление идёт инструментальная сталь или твёрдый металлокерамический сплав, на производстве тонкой проволоки применяются технические алмазы.
Чтобы уменьшить трение, отвести тепло и повысить стойкость инструмента применяется жидкая и сухая смазка. Это может быть различное минеральное масло, эмульсия, мыло или графитовый, медный, молибденовый порошок.
Прессование заготовки
Прессование — это горячая обработка металла давлением. Используя всестороннее сжатие и давление, разогретый металл выдавливается через отверстие в матрице. Для металлов с низкой пластичностью, такая обработка считается единственным методом, дающим возможность получить прут с простым или сложным сечением.
Прессование может быть двух методов:
- прямое;
- обратное.
При этом меняется только движущая часть пресса. В первом случае — движется пуансон к заготовке, во втором — заготовка к пуансону. Для получения прута любого сечения можно использовать любой метод прессования, а трубы можно получить только благодаря прямому прессованию.
Условия работы пресс-камеры, пуансона и пресс-шайбы очень жёсткие. Благодаря большому давлению и высокой температуре они быстро приходят в негодность. Их изготавливают из жаропрочных сплавов и инструментальной стали.
Чтобы увеличить срок службы используют смазывающие вещества: минеральное масло, графит, канифоль, в определённых ситуациях применяется жидкое стекло. Этот метод обработки имеет недостаток — необрабатываемый остаток, около 20% металла остаётся в прессе.
Ковка металла
Обработка металла при помощи молота или пресса. Деформирование происходит между двух плоскостей. Такое изделие называется поковка. Низкая производительность сопутствует ручной ковке, поэтому в промышленности используют машинную ковку.
Во время ковки, металл неограничен рабочей поверхностью и может растекаться по сторонам инструмента. У молота или пресса есть два бойка, нижний и верхний. Первый — неподвижный, второй подвижный, заготовку помещают между ними.
Ковка может нести основной и вспомогательный характер.
Осадка — уменьшается высота заготовки, при этом увеличивается площадь поперечного сечения.- Высадка — осаживается часть заготовки. Для этого используют оправку — подкладной инструмент.
- Протяжка — увеличивается длина заготовки, за счёт уменьшения площади поперечного сечения.
- Раскатка при помощи оправки — увеличивается внутренний и наружный диаметр кольца, постепенно уменьшая толщину стенок.
- Прошивка — получение сквозного отверстия. Используют прошивень, благодаря ему делают и полость. Отходы металла называют выдра.
- Рубка — отсоединение некоторой части заготовки.
- Гибка — придание заготовке изгиба, используя заданный контур. Благодаря опорам и приспособлениям делают различные угольники, скобы.
- Скручивание — часть заготовку проворачивают вокруг своей оси.
- Передача — вертикально смещается часть заготовки по отношению к другой её части. Используются дополнительные опоры.
Штамповка формовая
Изготовление сложного изделия, используя давление и специальную форму — штамп. Штамповка бывает объёмной или листовой, может проводиться с горячей или холодной заготовкой.
Металл для объёмной штамповки имеет простую форму, а деформируясь, заполняет полость всего штампа. Листовая штамповка незначительно изменяет толщину получаемой детали от первоначальной толщины заготовки. Чаще всего, объёмную штамповку проводят с разогретым металлом, а листовую с холодным. Горячая листовая штамповка проводится в случаях, когда необходимо обработать давлением металл, который будучи холодным, недостаточно пластичный.
Горячая
Используя горячую объёмную штамповку, благодаря специальным штампам, из заготовки производят штампованную поковку. Штамп — так называют форму будущей детали, в которую впрессовывается заготовка. Он состоит, как правило, из двух деталей: первая часть крепится неподвижно к молоту или прессу, вторая — к подвижной части оборудования. Между ними, для выхода лишнего металла, предусмотрены полости — ручьи.
Существует две разновидности штампа:
- Открытый — специально создан зазор между половинками штампа, для выхода избытка металла — облой или заусенец. Он закрывает выход, этим способствует заполнению металлом всей формы.
- Закрытый — зазор между частями штампа отсутствует. Нет отходов, минимальный расход и улучшенная структура металла в изделии. Требует очень точного измерения массы заготовки.
Отличается штамповка одноручьевым и многоручьевым штампом.
Одноручьевой штамп — это одна полость. Используются для штамповки изделий простых конфигураций.
Многоручьевой штамп — сложные, несколько уровневые изделия. Заготовка проходит первоначальную деформацию за счёт черновых ручьёв, это вытяжка или гибка. Следующий этап, окончательная придача формы, используя штамповочные ручьи.
Для приготовления штампов используется легированная сталь и специальная штамповочная сталь, у которой высокая твёрдость, вязкость и жаропрочность.
В качестве оборудования используется газовоздушный штамповочный молот или гидравлический пресс.
Холодная
Эта штамповка обладает высокой производительностью и низкой себестоимостью. Это хорошая возможность получить простые или сложные детали с высокой точностью выполнения.
Холодное выдавливание — формируется сплошное или полое изделие, используется пластическое течение металла, через одно или несколько отверстий штампа. Этот метод деформирования имеет похожие с прессованием черты. Металл может выдавливаться через различные отверстия, соответственно выдавливание может быть прямым, обратным и комбинированным.- Холодная высадка — саживается часть заготовки. Этот способ применяют в производстве различных крепёжных изделий. Холодную объёмную штамповку производят одинаково с горячей, только используют открытые штампы.
- Отрезка — операция с целью холодного отделения некоторой части листа, используя штамп или машинные ножницы.
- Вырубка, пробивка — отсоединяется часть заготовки в замкнутом контуре. В первой ситуации вырубаемая часть — необходимая деталь, во второй — отходы.
- Правка — формирующая операция необходимая для удаления неровности и кривизны плоских поверхностей.
- Вытяжка — деформация листа до пустотелой выпуклости, открытой с другой стороны.
- Гибка — придание заготовке необходимой кривизны.
- Отбортовка — придание предварительно выбитым отверстиям вида горловины или борта.
- Обжим — уменьшение диаметра концевой части полой заготовки.
- Вальцовка — применяется для получения трубы из листового металла или чтобы получить гофрированную поверхность.
- Взрывная штамповка — листовую заготовку устанавливают на матрицу и опускают под воду, масло или песок, а над промежуточной средой производят взрыв. Энергия от взрыва передаётся заготовке и деформирует её согласно матрице. Если пропускают через воду электрический разряд, то получают подобную ударную волну, а процесс называют электрогидравлической штамповкой.
Ещё существует специализированная обработка давлением, к ней относится: обкатка, раскатка и калибровка отверстий, накатка рифлений, резьбы и зубьев.
Обкатку и раскатку используют, чтобы упрочнить любую поверхность детали. Будь она плоской, конической или цилиндрической формы, снаружи и внутри её.
Калибровку проводят специальным шариком или стержнем, путём одноразового или многократного перемещения инструмента. При многократной калибровке используют увеличивающийся размер инструмента, что сглаживает неровности и упрочняет поверхность.
Накатку используют при необходимости получить фасонную поверхность, ту же резьбу, клейму, рифление на плоскости и др. Для этого вдавливают необходимый инструмент в заготовку.
В результате ОМД можно получить готовые изделия практически любой формы, всевозможных размеров и параметров. Это стало возможным благодаря современным технологиям. Подобная продукция востребована во всех сферах деятельности человека и с каждым днём становится ещё более необходимой.
