Понятие о механизме пластического деформирования при обработке давлением. Формообразование обработкой давлением основано на способности за­готовок из металлов и других материалов изменять свою форму без разру­шения под действием

Формообразование обработкой давлением основано на способности за­готовок из металлов и других материалов изменять свою форму без разру­шения под действием внешних сил. Обработка давлением — один из про­грессивных, экономичных и высокопроизводительных способов производст­ва заготовок в машино- и приборостроении. Почти 90% всей выплавляемой стали и 60% цветных металлов и сплавов подвергают тем или иным спосо­бам обработки давлением — прокатке, прессованию, волочению, ковке, объ­емной или листовой штамповке.

Обработкой давлением могут быть получены заготовки или детали из материалов, обладающих пластичностью, т. е. способностью необратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил. Нарушение сплошности строения материала деформируемой заготовки в большинстве случаев недопустимо и приводит к браку.

Установлено, что в монокристаллах пластическая деформация происхо­дит под действием касательных напряжений, вызывающих скольжение ато­марных плоскостей друг относительно друга — явление сдвига. Плоскости скольжения характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов в направ­лениях, по которым межатомные расстояния минимальны. Поэтому сдвиг атомов в этих плоскостях приводит к минимальным нарушениям правильно­сти их расположения, а следовательно, смещение может быть осуществлено при наименьших напряжениях. Чем больше таких плоскостей в кристалли-

Горячая пластическая обработка металлов находит большее применение в промышленности, несмотря на дополнительные затраты в связи с необхо­димостью иметь специальное оборудование и дополнительные расходы энергии. При горячей деформации нужно поддерживать необходимую тем­пературу в ходе самого процесса обработки давлением, особенно при произ­водстве изделий небольшого объема и с развитой поверхностью. В этом слу­чае задача усложняется в связи с потерей теплоты при контакте с деформи­рующим инструментом.

Температура нагрева для горячей деформации зависит в первую очередь от природы деформируемого материала — сталь, медные сплавы, алюми­ниевые сплавы и другие; его химического состава — углеродистая, низколе­гированная, аустенитная сталь, а также от толщины заготовки. Однако в лю­бых случаях температура нагрева должна быть значительно ниже температу­ры солидуса сплава. Если металл перегрет, то могут наступить «пережог», выражающийся в интенсивном окислении границ зерен, и, как следствие, охрупчивание металла. Пережог — дефект нагрева, который не может быть исправлен. Длительное пребывание металла при температуре несколько меньшей, чем температура пережога, может привести к значительному росту зерна и снижению пластических свойств заготовки — явление перегрева. В значительном большинстве случаев перегрев может быть исправлен допол­нительной термической обработкой.

Температуру начала обработки давле­нием следует назначать на 50—100 °С ниже температуры солидуса сплава (рис. 18.1). Заканчивать деформирование следует при температуре не ниже Г^й деформирование при более низких температурах может при­вести к образованию трещин вследствие снижения пластичности.

В то же время окончание процесса деформирования при температурах выше, чем Грек, также нежелательно, так как пребывание при высоких температурах может привести к чрезмерному росту зерна и, следовательно, снижению меха­нических характеристик металла.

0,8 2,14 Содержание углерода, %

Рнс. 18.1. Температурный интервал обработки давлением (ОД) низко­углеродистых сплавов

Каждый металл и сплав имеет свой строго рекомендованный температурный интервал обработки давлением, определяе­мый по соответствующему справочнику.

Заготовка должна быть нагрета рав­номерно по всему сечениги. Crm,,,еляя

режим нагрева, необходимо учитывать теплопроводность металла, его физи­ко-химическое состояние, величину сечения. Особенно это касается вы­сокоуглеродистых легированных и специальных сталей, имеющих низ­кую теплопроводность и во многих случаях пониженную пластичность при 600—750 °С. Для них нагрев должен быть более продолжителен, чем для более теплопроводных материалов. В противном случае разность температур по сечению нагреваемой заготовки приведет к тому, что теп­ловое расширение между более нагретыми периферийными слоями и менее нагретыми внутренними вызовет большие напряжения внутри за­готовки и появление в ней трещин.

В то же время чем более продолжительным будет нагрев, тем больше будет окислена ее поверхность.

Слой окалины при нагреве углеродистой стали, состоящий из FeO, Fe₂0₃, Рез04, может составлять 1—2% от массы заготовки. Это приводит не только к значительной потере металла, но и к дополнительным трудностям по пред­варительной очистке заготовки перед обработкой. Вдавливаясь при обработ­ке давлением в тело заготовки, окалина вызывает необходимость увеличи­вать припуски на механическую обработку, приводит к преждевременному износу как штампов, так и обрабатывающего инструмента.

Кроме того, поверхность нагреваемого металла претерпевает сущест­венные изменения. Так, например, при нагреве стали толщина обезуглеро-женного слоя может достигать 1,5—2 мм.

Для уменьшения негативных последствий нагрева иногда применяют так называемый ступенчатый нагрев: заготовки медленно прогревают до 600—700 °С, а затем с большой скоростью до конечной температуры. Для уменьшения окисления металла при нагреве его рекомендуется проводить в нейтральной или восстановительной атмосфере.

18.2. Нагревательные устройства

Оборудование, применяемое для нагрева заготовок перед обработкой давлением, подразделяется на нагревательные печи и электронагревательные устройства.

К нагревательным печам относят оборудование, в котором теплота к заготовке передается конвекцией и излучением из нагревательной каме­ры. Пол, стены и свод печей выполняются из огнеупорных материалов. Необходимую температуру (до 1300 °С и более) в печах получают сжи­ганием газообразного или жидкого топлива либо с помощью электриче­ских нагревателей. По принципу действия печи подразделяются на ка­мерные и методические.

а=М-

К камерным относят печи, имеющие одинаковую тем­пературу по всему рабочему про­странству. Загрузку и выгрузку заготовок производят по мере не­обходимости. Такие печи обычно имеют одно окно.

в

Рис. 18.2. Нагревательные устройства: а — методическая печь. 1 — наиболее нагретая часть; 2 — выгрузочные и наблюдательные окна; 3 — менее нагретая часть; б — нагрев проходящим током: / — понижаю­щий трансформатор; 2 — нагреваемая заготовка; 3 —токоподводы; в — установка индукционного нагрева: 1 — гене­ратор высокой частоты; 2 — индуктор; 3 — заго­товка; 4 — батарея конденсатора

Методические печи, как правило, вытянутые в одном направлении, имеют загрузочное окно, в районе которого устанав­ливается относительно невысокая температура, удлиненную камеру печи, по длине которой темпера­тура повышается, вплоть до ко­нечной, вблизи у окна выгрузки (рис. 18.2, а). Нагреваемые заго­товки перемещаются с установ­ленной скоростью от загрузочно­го до окна выгрузки. В методиче­ских печах пламенного типа по­ток нагревающих газов направлен навстречу движению заготовок, что способствует их равномерному нагреву.

С целью экономии топлива газы, отходящие из печи, используют для подогрева горючих смесей до 500—900 °С. Это позволяет повысить эффек­тивность работы и экономить до 35% топлива.

В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредст­венно в самой заготовке в виде теплоты сопротивления при пропускании через нее большой силы тока (рис. 18.2, б) либо при возбуждении в ней вих­ревых токов в специальных индукционных печах (рис. 18.2, в).

При нагревании заготовки проходящим током основной частью является трансформатор, обеспечивающий необходимую силу тока. Первичная обмотка его обычно секционирована, что позволяет регулировать в необходимых преде­лах силу тока нагрева. Вторичная обмотка состоит чаще всего из одного, редко двух-трех витков. Такая конструкция обеспечивает напряжение на зажимах дета­лей 2—12 В и силу тока до 200—300 тыс. А. Сила тока выбирается исходя из рода материала, сечения нагреваемой заготовки и необходимой скорости нагрева.

Основной частью установки для индукционного нагрева (рис. 18.2, в), явля­ются генератор повышенной частоты (50—8000 Гц) и собственно индуктор, вы­полненный в виде многовитковой спирали из медной круглой или прямоуголь­ной трубы. В необходимых случаях индуктор охлаждается проточной водой, подаваемой по внутренней полости. Внутрь спирали помещается корпус камеры,

выполненный из огнеупорного диэлектрического материала. Нагреваемые заго­товки помещаются в корпус и перемещаются в нем с помощью толкателя.

По индуктору, подключенному к генератору повышенной частоты, про­текает переменный ток, образующий поле индукции. Вследствие этого в за­готовках, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи, сосредоточенные, в основном, в поверхностных слоях заготовки. Тол­щина нагреваемого слоя зависит от частоты тока; чем она выше, тем более поверхностным и интенсивным будет нагрев. Поэтому для разогрева мас­сивных заготовок иногда применяют промышленную частоту (50 Гц). Глу­бина прогрева в этом случае может достигать 25—30% от толщины заготов­ки. Прогрев по всему сечению, т. е. центральной части заготовки, происходит за счет теплопроводности. За время прохождения заготовки от входа в индуктор до выхода должен быть обеспечен нагрев до необходимой температуры.

Нагревательные устройства имеют преимущества перед печами: высо­кая скорость нагрева (в 10—15 раз выше, чем в печах), почти полное отсут­ствие окалины (в 4—5 раз меньше), удобство в работе, легкая автоматизация, экологичность. Серьезными их недостатками являются ограничения по габа­ритам нагреваемых заготовок, требования их постоянного сечения, необхо­димость для каждого типа и размера заготовки иметь соответствующий ин­дуктор. Кроме того, КПД индукторов относительно невелик.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства металла изменяются при деформировании в холодном состоянии?

2. Что такое «возврат»?

3. При каких температурах «возврат» протекает особенно интенсивно?

4. Поясните понятия «холодная», «неполная горячая» и «горячая» деформация. К какому виду относится деформация стали с 0,3% углерода при температуре на­грева до 500 °С?

5. Как осуществляется нагрев металла в методической печи перед обработкой дав­лением?