Физико-механические основы обработки металлов давлением.

Для правильного выбора машин, проектирования технологических процессов и рациональной геометрии инструмента необходимо знание физико-механических основ обработки давлением. Обработка давлением основана на пластичности материалов, т. е. их способности получать пластические деформации. Как упругие, так и пластические деформации осуществляются в твердых телах в результате относительного смещения атомов. При упругих деформациях смещения атомов из положений равновесия небольшие и они увеличиваются пропорционально увеличению сил, вызвавших это смещение (закон Гука). С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает до определенного предела, после чего атомы смещаются на расстояния, больше межатомных, и остаются в новых положениях устойчивого равновесия. Сумма таких смещений создает пластическую деформацию или же остаточное изменение формы и размеров твердого тела в результате действия внешних сил.

Величину формоизменения оценивают степенью деформации ε. Силы взаимосвязи атомов противостоят действию внешних сил, и поэтому твердое тело оказывает сопротивление деформированию. Последнее характеризуют величиной удельного усилия (напряжения σ), вызывающего пластическую деформацию при данных условиях деформирования. Напряжения и деформации в объеме деформируемого тела распределены неравномерно. Напряжения на поверхностях контакта можно рассчитать методами, известными из теории обработки давлением. Если нормальное напряжение σи (направленное перпендикулярно к контактной поверхности) постоянно по всей поверхности контакта заготовки 1 с инструментом 2 (рис. 20, а) или заменено его средней величиной σср в случае неравномерного распределения σн по контактной поверхности, то деформирующее усилие Р = σF или Р =σcpF, где F — площадь проекции контактной поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению деформирующего усилия. Определение деформирующего усилия требуется для выбора машин для обработки давлением и для расчета инструмента на прочность.

Сопротивление деформированию и пластичность металла зависят от его химического состава, температуры, скорости деформации и схемы нагружения. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию, что часто используют, применяя нагрев заготовок перед обработкой давлением. Повышение скорости деформации (изменение степени деформации в единицу вре-мени) снижает пластичность и увеличивает сопротивление деформированию, однако при очень высоких скоростях (например, при электромагнитной и взрывной штамповке) для многих металлов допустимы чрезвычайно большие степени деформации без разрушения. Схема нагружения, создающая всестороннее не-равномерное сжатие заготовки, способствует повышению пластичности металла и его сопротивления деформированию. Поэтому, например, в процессах прессования металл проявляет большую способность к пластической деформации, чем при волочении.

Прокатка металлов.

До 90 % сталей и до 50 % цветных металлов используются в виде проката, штампованных и кузнечных заготовок (рис. 1.39). Достоинство процесса прокатки в высокой экономичности: мало потерь металла, т. к. происходит перераспределение металла по объему, а при обработке резанием много металла идет в стружку; процесс высокопроизводительный; прокат эффективно использовать для изготовления сварных и клепанных конструкций и конструктивно сложных и громоздких деталей.

Ковка металлов.

Ковка и штамповка применяются как для получения заготовок, так и готовых изделий.

Ковка металлов это процесс деформирования горячей заготовки бойками молота или пресса (рис. 3.1, г). Полученное изделие поковкой. Ковка применяется в штучном и мелкосерийном производстве. При ковке крупных поковок массой до 200 т и более исходными заготовками являются слитки; 2-3т – блюмы; до 1т – сортовой прокат. Массу заготовки из слитка определяют по формуле: Gзаг=Gпок + Gприб + Gдн + Gобс + Gуг, где Gприб – масса прибыльной части, составляет 18-22% от массы слитка; Gдн– масса донной части, составляет до 4%; Gуг – масса отхода на угар, составляет 2-3%; Gобс – масса абсечек, в которую входят отходы при прошивке, обрубке концов и д.р. Масса заготовки из проката определяется по формуле:

Gзаг=Gпок + Gабс + Gуг .

Для получения качественной поковки слитки и прокат подвергаются укову, который определяется отношением площадей поперечного сечения заготовки и поковки. При операциях вытяжки у=Fзаг/Fпок, при осадке у=Fпок/Fзаг.

При ковке слитков уков составляет 2-3,75; проката – 1,25-1,4. После определения типа и массы заготовки и величины укова, приступают к расчету размеров заготовки. Размер слитков указывается в ведомственных нормалях, проката в ГОСТах.

Технологический процесс ковки разрабатывают по чертежу поковки, составленного на основании чертежа детали. Размеры поковки увеличивают на величину припуска на механическую обработку и предусматривают допуск на ковку. Иногда конфигурацию поковки упрощают за счет напуска. При подсчете объема заготовке к номинальному размеру поковки добавляют часть допуска и напуск.

Технологический процесс ковки включает различные операции: осадка, протяжка, пробивка, гибка, разгонка, скручивание, рубка и т.д. При осадки площадь поперечного сечения F заготовки увеличивается за счет уменьшения её высоты H. Во избежание продольного изгиба при ковке размеры заготовки берутся из расчета, H≤2,5Д. Вследствие действия сил трения по контактным поверхностям боковая поверхность поковки приобретает бочкообразную форму. Осадкой получают оковки для зубчатых колес, фланцев, турбинных дисков и т.д. Осаживание части заготовки называют высадкой.

При протяжке увеличивается длина заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжка с поворотом заготовки на 90° называется протяжкой с кантовкой. Протяжкой получают волки, тяги, гильзы и т.д.