Виды ОМД, области применения, технологии, оборудование

С.И.Губкин разделил все виды ОМД на следующие четыре группы, связанные с деформацией металла в различных температурных условиях:

-горячая обработка – сопровождается полным завершением процесса

рекристаллизации деформированного металла;

-неполная горячая обработка – процесс рекристаллизации деформируемого

металла не успевает полностью завершиться и в его структуре, частично,

сохраняются последствия деформационного упрочнения (наклёпа);

-неполная холодная обработка – сопровождается протеканием процесса отдыха

металла;

-холодная обработка – характеризуется полным сохранением последствий

наклёпа в структуре продеформированного металла.

Согласно этой классификации, деформация легкоплавких металлов, таких как свинец, олово, даже при комнатной температуре, будет относиться к горячей обработке давлением и, наоборот, деформацию тугоплавкого вольфрама (температура плавления – около 3200^оС) при 700^оС следует считать холодной.

К процессам горячей деформации относят процессы, протекающие при температурах выше температуры рекристаллизации материала (для углеродистой стали Т_рек.>(0.65…0.75) Т_{плавления}, К, т.е. при температурах изменения формы кристаллической решетки железа). Для обеспечения полного завершения разупрочняющих последеформационных процессов сталь должна обрабатываться при температурах (1150…900)^о С.

Следует запомнить, что для формирования требуемого стандартами комплекса физико-механических свойств низкоуглеродистой стали марки 08кп, применяющейся в технологических процессах холодной листовой штамповки деталей кузовов легковых автомашин (автотракторный листовой и полосовой металл), температура окончания горячей прокатки металла на широкополосных станах не должна быть ниже 860^оС.

По А. А. Бочвару, при нагреве любого металла до его гомологических температур, составляющих [0.4Т_плав.] в градусах Кельвина, в структуре деформированного металла начинается процесс рекристаллизации, возврата, отдыха (зарождаются и растут новые недеформированные зёрна, постепенно структура обновляется, почти полностью восстанавливаются физико-механические, т. е. реологические свойства, характерные для недеформированного металла). Полнота протекания процесса разупрочнения деформированного металла зависит от степени его деформации, температуры и длительности периода разупрочнения, химически чистый алюминий (температура плавления – 660^оС, гомологическая температура – 100.2^оС) полностью рекристаллизуется при температуре 0^оС за 48 суток, при + 25^оС – за 14 суток, при 100^оС – за одну минуту, а при 150^оС – за 5с.

При нагреве металла перед его обработкой давлением, его способность к пластической деформации увеличивается, а сопротивление деформации – уменьшается. Поэтому процессы горячей обработки менее трудоемки и энергоемки.

Однако изделия, полученные горячей обработкой, имеют дефекты поверхности (окалина, механические повреждения) и меньшую точность геометрических размеров по сравнению с изделиями, полученными методом холодной деформации.

На современных предприятиях горнометаллургической отрасли (металлургических предприятиях) в качестве наиболее производительных процессов ОМД применяют горячую и холодную прокатку, ковку, штамповку, волочение, калибровку и прессование металла (стали, цветных металлов и сплавов).

Для повышения эффективности процессов ОМД, в производственных условиях используются различные способы увеличения пластичности обрабатываемого материала: нагрев перед обработкой, снижение тепловых потерь в процессе обработки, подбор рациональных форм, размеров и материала рабочего инструмента.

Обобщенное представление о технологических процессах ОМД дают механические схемы деформации материала, отражающие возможную совокупность схем напряженного состояния (девять схем) и схем деформации (три схемы). Существуют 23 механические схемы (рис. 12.1).

Рис. 12.1 Схемы напряженного состояния (а) и деформации (б)

Схемы, создающие в деформируемом теле внутреннее напряжение одного знака (растяжение или сжатие) называются одноимёнными.

Из основного условия (закона) протекания процесса ОМД -  сохранения неизменного (постоянного) объема пластически деформируемого тела следует очевидный вывод о невозможности реализации на практике чисто одноименных схем напряженного состояния тела.

Действительно, если объем тела при пластической деформации остается неизменным, то изменить (одновременно увеличить или уменьшить основные геометрические размеры тела по всем трём направлениям осей координат - толщину, ширину и длину) невозможно без его разрушения.

Например (рис. 12.1б), схема D₁ , при осадке (сжатии) тела параллельными плитами имеют место одна деформация сжатия и две деформации растяжения, а при волочении (схема D₃) – две деформации сжатия, одна – растяжения.

Механические схемы напряжений для основных технологических (производственных) процессов ОМД показаны на рис.12.2.

Рис. 12.2. Механические схемы основных технологических процессов.

а – прессование; б - волочение; в - осадка или поперечная прокатка с

уширением металла; г – продольная прокатка (без уширения металла).

Для осуществления процесса, использующего схему всестороннего сжатия (прессование природного непластичного материала - гранита), требуются огромные усилия, в сравнении с разноименной схемой напряженного состояния (продольная прокатка).

Наиболее благоприятной является схема объемного (трёхосного, всестороннего) напряженного состояния тела (рис.12.2, а), так как в этой схеме наименее вероятно возникновение растягивающих напряжений больших величин, что может привести к разрушению деформируемого материала.

Схема волочения (рис.12.2, б) требует меньших энергозатрат, в сравнении с тремя другими схемами объемной деформации, однако показатели пластичности металла при волочении («частные» степени деформации поперечного сечения исходной заготовки за одну технологическую операцию – « пропуск» или «проход») оказываются, соответственно, меньшими.

На рис.12.3 и 12.4 показаны схемы упомянутых выше процессов ОМД.

Рис. 12.3. Схемы процессов обработки давлением

При продольной прокатке металла (рис.12.3,а) полоса силами контактного трения втягивается в зазор между двумя цилиндрическими валками прокатного стана, вращающимися в разные стороны. Всегда уменьшается толщина полосы, но так как объем металла и его масса в процессе пластической деформации остаются постоянными, то увеличиваются длина и ширина полосы. Готовый прокат может использоваться потребителем без дополнительной обработки.

Следует, особо, отметить, что только в процессе прокатки, за счет изменения температурных и энергосиловых параметров технологического процесса, можно формировать требуемый уровень механических (потребительских) свойств горячего и готового проката, регламентируемых стандартами (нормативно- технической документацией). После окончания горячей прокатки сталь приобретает требуемую стандартами микроструктуру, механическую прочность, пластичность и ударную вязкость, без дополнительной термической обработки. 

Волочением холодного металла (рис.12.3,б) – его протягиванием через сквозное отверстие с постепенно уменьшающимся размером поперечного сечения, получают, как правило, проволоку (свое название прокат получил от слова «волочить»), прутки круглого поперечного сечения (так называемый, «калиброванный» металл), тонкостенные трубы, значительное количество изделий сложных и разнообразных форм поперечного сечения.

Рис. 12. 4. Основные способы обработки металлов давлением

«а» – свободная ковка; «б» – горячая объемная штамповка;

«в» – листовая штамповка; «г» – прессование; «д» – волочение;

1 – шабот молота; 2 – боёк; 3- поковка; 4- верхняя часть штампа;

5- заусенечная канавка; 6- нижняя часть штампа; 7- матрица; 8- прижим;

9- пуансон; 10- изделие; 11- прессшайба; 12- прессуемый материал;

13- контейнер; 14- волока; 15- пруток.

В процессе холодной деформации металл упрочняется («наклёпывается») и, при необходимости, подвергается термической обработке (отжигу) для восстановления (релаксации) его исходных (реологических) физико-механических свойств.

Пластическая деформация металла в холодной состоянии (волочение, калибровка) нашла широкое промышленное применение при обработке металла давлением, т.к. обеспечивает получение готовых изделий высокой точности размеров и качества отделки поверхности.

Свободная ковка горячего металла (рис.12.3,в) периодическими ударами падающего тяжелого молота не позволяет получить изделия точных размеров.

Штамповка (рис.12.3,г) является более производительным процессом. Обеспечивается высокая точность размеров деталей, но из-за сложности конструкций оборудования и трудоемкости изготовления штампов, штамповка применяется в массовом производстве изделий сложной формы (например, штамповка деталей корпусов автомобилей из листового металла).

Прессованием горячего металла (рис.12.3,д.) через отверстие в дне контейнера (цилиндра пресса) получают прутки сложных форм поперечных сечений и точных размеров, а так же трубы из цветных металлов.

На рис.12.4 показаны схемы выполнения ряда технологических операций ОМД.

В любом процессе ОМД хрупкая, крупнозернистая литая структура исходного материала (например, стального слитка) претерпевает изменения (измельчается), что, в конечном итоге, положительно влияет на комплекс физико-механических свойств готовой продукции.

Технологические процессы ОМД различаются, прежде всего, интенсивностью и направлением внутренних напряжений (σ₁; σ₂; σ₃) в деформируемом теле, а так же направлениями пластического течения металла. Указанные различия определяют степень пластичности материала, величины энергосиловых параметров конкретного процесса ОМД, необходимых для его осуществления (усилие и затраты мощности для деформации), особенности технологического процесса производства, технические характеристики оборудования и, наконец, потребительские свойства готовой продукции процесса.