Обработка металлов давлением: правила и способы

СОДЕРЖАНИЕ

• Суть технологии обработки металла давлением
• Основные методы обработки металла давлением
• Прокатка металлов
• Ковка
• Прессование
• Волочение
• Объемная штамповка
• Листовая штамповка
• Нагревание при обработке металлов давлением
• Варианты дефектов металла после обработки давлением

Обработка металлов давлением не уступает по востребованности процедуре резания и, более того, имеет выраженные преимущества по сравнению с ней. Получение необходимых размера и формы детали практически без отхода высоко ценится в различных областях промышленности.

Обработка давлением – это не только штамповка, о которой слышали многие. В нашей статье мы расскажем о преимуществах этого метода обработки, разберем технологии ОМД и поговорим о возможных дефектах в этой сфере.

Суть технологии обработки металла давлением

ОМД (технология обработки металлов давлением) означает, что материалу придается необходимая форма, габариты и физико-механические свойства, при этом не нарушается его целостность из-за пластической деформации.

Технология обработки металлов давлением обладает следующими преимуществами:

1. удается существенно – на 20–70 % – снизить отход металла, если сравнивать с обработкой резанием;
2. можно увеличить производительность труда, поскольку однократно приложенное усилие позволяет сразу же изменить форму и габариты заготовки, которую деформируют;
3. изменяются физикомеханические параметры металла заготовки во время пластической деформации, эта особенность используется, чтобы получать детали с улучшенными эксплуатационными характеристиками: сделать их прочнее, жестче, увеличить сопротивляемость износу, при этом их масса остается небольшой.

Благодаря вышеперечисленным особенностям данной технологии производства деталей доля ОМД по сравнению с другими способами металлообработки ежегодно увеличивается. Технологические процессы постоянно улучшаются, совершенствуется используемое в работе оборудование.

Поэтому расширяется ассортимент изделий, которые производятся по этой технологии. Также увеличивается диапазон деталей по массе и габаритам, повышается точность размеров заготовок, которые получаются во время обработки металлов давлением.

Основные методы обработки металла давлением

Прокатка металлов

Это один из наиболее популярных видов обработки металлов давлением. В качестве инструмента, который воздействует на заготовку, используются валки. Их форма влияет на тип и структуру получившегося изделия.

Используется также прокатный стан, он представляет собой комплекс оборудования по производству деталей. Он позволяет осуществлять горячую и холодную обработку металлов давлением.

Прокатка бывает нескольких видов:

• Продольная. Такая металлообработка является наиболее распространенной. В этом случае заготовка проходит между двумя валками, которые вращаются в разные стороны. Чтобы изменить размер проката, специалист регулирует расстояние между рабочими элементами.
• Поперечная. В данном способе металлообработки нет поступательных движений. Эта технология подходит для того, чтобы изготавливать детали в форме цилиндра, к примеру шары, втулки и другие тела вращения.
• Поперчено/продольно-винтовая. Здесь валки находятся под углом к заготовке. Поэтому металлу придается вращательно-поступательное движение. Такая прокатка позволяет производить сверла, цельнокатаные трубы, оси, полые изделия.

При обработке металлов давлением в 80 % случаев применяется данная технология. По этой причине происходит непрерывное улучшение используемых методов. К примеру, на крупных заводах осуществляется внедрение технологии бесконечной холодной прокатки.

Читайте также: «Оборудование для сварочных работ»

Это значит, что на стан монтируют сварочную машину, чтобы соединять рулоны либо заготовки друг с другом. За счет этого на стан постоянно подается полоса без перерыва.

Ковка

При реализации этого способа обработки металлов давлением обеспечивается высокотемпературный режим. Ковка применяется человечеством в течение многих столетий. То, насколько сильно нужно нагреть заготовку, зависит от параметров металла.

Чаще всего температура достигает 1 000 градусов Цельсия. Эта температура достаточна для того, чтобы слиток потерял прочность, приобрел необходимую пластичность. Из такой заготовки кузнец сможет сделать необходимую деталь, которая в дальнейшем используется на производстве либо в качестве элемента интерьера.

Технология ковки включает в себя несколько шагов:

1. Слиток разделывают на части с нужными габаритами.
2. Затем осуществляется порубка, во время которой обрабатывается наружная поверхность заготовки.
3. После того как кузнец удалит лишний материал, получается черновой вариант изделия.
4. Далее деталь удлиняется за счет уменьшения поперечного сечения. Данный этап носит название вытяжки.
5. Затем пробиваются отверстия нужного диаметра, для этого мастер применяет специальный инструмент.
6. Если необходимо, заготовку изгибают для получения нужной формы с применением шаблона.
7. Заключительный этап: при необходимости проводится чеканка, кузнец изменяет рельеф, делает гравировку на детали.

Читайте также: «Металлические стеллажи для склада»

Чтобы выполнять ковку в промышленности, применяются плоские бойки. Это параллельные плиты и гидравлический пресс.

Основные достоинства ковки:

• улучшаются механические характеристики заготовки;
• можно обрабатывать крупногабаритные изделия, масса которых до 250 тонн;
• процесс ковки автоматизирован;
• производство низкозатратное.

Прессование

Прессование – также распространенный процесс обработки металлов давлением. В этом случае слиток располагается в закрытой форме. Затем пуансон вытесняет заготовку из матрицы. При реализации данной технологии применяется сверхмощный пресс.

С помощью прессования удается изготовить детали с необходимым профилем. При выборе металла, который подойдет для обработки этим способом, отдают предпочтение наиболее хрупким, таким как:

• медь;
• алюминий;
• олово;
• магний;
• сплавы титана.

Благодаря применению сменной матрицы можно выбрать любую форму детали.

Волочение

Данный способ обработки металлов давлением наиболее востребован на производстве. Технология работы следующая: болванку протягивают через фильеру. Она представляет собой волоки, габариты которых меньше, чем поперечное сечение заготовки.

Существует несколько методов волочения, наиболее популярные среди них следующие:

• безоправочное;
• профилировочное;
• длиннооправочное;
• короткооправочное;
• волочение на самоустанавливающейся оправке.

Если этого требует технология обработки металлов давлением, заготовку предварительно нагревают. Если применяется болванка большого размера, ее пропускают через фильеры, уменьшая сечение.

Валки чаще всего производят из инструментальной стали либо сплавов большой твердости.

Метод волочения позволяет производить изделия с высокой точностью, к примеру проволоку, толщина которой несколько микрометров.

Читайте также: «Оборудование для СТО»

Слитки, используемые при реализации этой технологии, должны соответствовать определенным требованиям. Дело в том, что дефекты могут перейти на получившееся изделие.

У безоправочного волочения при изготовлении труб есть один минус: внутренняя поверхность получается низкокачественной.

Объемная штамповка

Данная технология обработки металлов давлением наиболее популярна. Болванку нагревают, а затем последовательно деформируют, не нарушая ее целостностью. Чтобы придать слитку необходимую форму, применяют объемные штампы, повторяющие контуры изделия.

Объемная штамповка подразумевает, что геометрия и размеры заготовки будут изменяться сразу в нескольких измерениях.

В роли проката обычно выступают материалы с круглым либо прямоугольным сечением.

Листовая штамповка

Листовая штамповка позволяет производить плоские, а также объемные тонкостенные изделия из листового металла.

Такая технология обработки применяется, чтобы изготавливать много одинаковых деталей высокой точности. При создании заготовок используют металлы, сплавы и пластмассы.

Рабочие станки, которые применяются в данной технологии, подразделяются на несколько видов:

• кривошипно-шатунные;
• гидравлические;
• радиально-ковочные;
• электромагнитные.

Эта технология обработки металлов давлением универсальна и позволяет получить тонкостенные корпуса для бытовых приборов или изготовить детали для кораблей.

Нагревание при обработке металлов давлением

Горячая обработка металлов давлением означает, что заготовки нагреваются, чтобы сделать их более пластичными, уменьшить сопротивление металла деформированию. Все это позволяет снизить энергозатраты.

Так как при работе с заготовкой ее температура уменьшается из-за того, что она остывает, было введено такое понятие, как оптимальный температурный интервал. Чтобы его определить, нужно знать экстремальные значения параметров пластических и прочностных свойств металлических систем.

Чтобы правильно выбрать верхнюю границу горячей обработки tв, необходимо исключить перегрев, пережог, а также сильное окисление и обезуглероживания (при работе со сталью) металла, который нагревается.

Как определить нижнюю границу tн? Важно, чтобы этот показатель был выше температуры мгновенной рекристаллизации. Это позволит исключить образование наклепа.

Чтобы не допустить ошибку при выборе этих параметров, изучите диаграмму состояния сплавов. К примеру, для углеродистых сталей данный интервал содержится в диаграмме железо-углерод.

Читайте также: «Размещение товаров на складе»

Верхняя граница tв находится в пределах 100–2000 °С ниже линии солидуса, а нижняя граница tн на 30–500 °С выше линии GS для доэвтектоидных, но на 30–500 °С выше линии PSK для заэвтектоидных сталей.

Допустимый температурный интервал обработки металлов (легированных сталей) давлением характеризуется сужением, при этом понижаются предельные температуры.

К примеру, температурный интервал для меди – 900–7000 градусов Цельсия, латуни — 760–6000 градусов, бронзы — 900–7500 градусов Цельсия, сплавов алюминия — 470–3800 градусов, магниевых сплавов — 430– 3000 градусов Цельсия.

Чтобы детали, полученные по данной технологии, были высококачественными, необходимо правильно выбрать режим нагрева и охлаждения. Если элемент будет охлажден быстро, образуется термическое напряжение, снаружи детали появятся трещинки.

Когда теплопроводность сплава небольшая, а габариты изделия внушительные, охлаждение должно происходить максимально долго.

Читайте также: «Гибочные прессы»

Как охлаждаются детали при горячей обработке металлов давлением:

• на воздухе; 
• на воздухе в штабелях; 
• в закрытых боксах (ямах);
• в закрытых боксах (ямах), в которые засыпается песок, зола, шлак;
• в печах.

Данные способы охлаждения указаны в порядке увеличения продолжительности.

Возможные дефекты металла после обработки давлением

Трещины на поверхности и внутри, а также разрывы могут образоваться в поковке: штамповке и прокате. Причина появления этих дефектов – напряжения в металле при деформации.

Из-за растягивающего внутреннего напряжения появляются разрывы и трещины в тех областях, которые ослаблены дефектами слитка. Однако некоторые зоны могут разрушиться, даже если дефектов не было.

Важно понимать, что при такой технологии обработки металла он несколько раз нагревается и охлаждается. В результате образуются термические напряжения, из-за которых появляются разрывы и трещины на заготовках.

Если метод обработки металлов давлением – холодная объемная штамповка, по причине низкой пластичности материала на поверхности заготовок появляются скалывающие трещины, они расположены под углом 45 градусов к направлению действующего усилия.

На поверхности проката образуются риски – небольшие открытые царапины, глубина которых 0,2—0,5 мм. Причина заключается в том, что мелкие частички попадают на валки при прокате либо изношена матрица при прессовании.

Волосовины образуются из-за того, что деформировались мелкие неметаллические включения, пузырьки газа. Волосовины напоминают тонкие прямые линии, длина которых доли миллиметра, однако они могут достигать 2–3 см. Расположены такие дефекты на поверхности, а также под поверхностью металла. Увидеть волосовины можно в конструкционных сталях.

Закаты образуются, если наблюдается избыток металла в валках (калибрах). Визуально они похожи на заусенцы, глубина которых превышает 1 мм. Они закатаны в диаметрально противоположных направлениях.

Плены представляют собой брызги жидкой стали, которые застыли на поверхности слитка, а затем были раскатаны при прокатке. Поэтому они выглядят как отслаивающиеся с поверхности пленки, их толщина не более полутора миллиметров.

Читайте также: «Что такое гидравлический пресс. Принцип работы»

Еще один дефект – расслоения, то есть внутренние нарушения сплошности, представляют собой ориентированные по направлению волокна. Расслоения появляются после обработки слитка, в котором есть усадочные раковины либо рыхлоты. Расслоения также образуются при прокатке листа из-за того, что расплющились крупные посторонние включения, пузырьки газа. Поверхность нарушения сплошности параллельна плоскости прокатки.

При реализации метода горячей объемной штамповки сплошность в поковке будет нарушена, если есть включения шлака в заготовке. Это считается металлургическим браком.

Образование флокенов происходит в среднеуглеродистых и среднелегированных сталях, если содержание водорода в них повышено. Дело в том, что, когда водород растворен в жидкой стали, он выделяется после охлаждения при фазовых превращениях из-за быстрого понижения растворимости. В этом случае водород будет заполнять пустоты, даже дефекты кристаллической решетки. Он перейдет из атомарного в молекулярный, в результате чего образуется большое давление, разрушающее металл.

Появление торцовых трещин связано с тем, что во время резки больших профилей проката к моменту среза заготовка под высоким удельным давлением под ножом сминается из круглого сечения в эллипс.

В металле образуются внутренние напряжения, появляются трещины спустя 2–6 часов после резки. Кроме того, торцовые трещины появляются зимой, когда из-за пониженных температур растрескивается металл даже при резке малых профилей. Чтобы исключить образование таких дефектов, следует выбрать подходящие условия резки.

Зажим — еще один распространенный дефект, представляет собой заштампованную складку. Зажимы образуются, если неправильно наполнить фигуру штампа металлом либо закатать заусенцы, которые появились на первых переходах штамповки.

Читайте также: «Гибка листового металла»

Утонение и разрывы образуются, если не была соблюдена технология работы при штамповке (вытяжки деталей из листового металла).

Разрыв можно увидеть, осмотрев крупно- и среднегабаритное изделие. Сильную степень утонения получится выявить с помощью спецметодов, таких как радиоизотопный.

При использовании метода глубокой вытяжки деталь будет считаться эксплуатационно надежной, если нет разрывов и трещин, при этом степень утонения предельно допустимая.

Необходимо отслеживать, не появились ли во время эксплуатации дефекты в области утонения в результате знакопеременных нагрузок.

Использование технологии листовой штамповки подразумевает, что должна в автоматическом режиме контролироваться степень утонения металла при вытяжке.

На современных промышленных предприятиях обработка металлов давлением применяется чаще всего. Эта технология подходит при производстве заготовок, а также при изготовлении готовых деталей.

При этом наиболее популярным способом обработки считается прокатка. С годами будет происходить внедрение и других методов металлообработки, которые показывают максимальную эффективность.