Технология обработки изделий давлением

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 
 

Факультет управления и предпринимательства 
 

Курсовая  работа по дисциплине «Технология машиностроения»

на тему: «Технология обработки изделий давлением » 
 

Выполнила студентка

Группы 12444-09    

Болотина  Елена Валерьевна

______________________ 
 

Проверила:

Доцент  Мотова Елена Алексеевна

_____________________ 
 
 
 

     Нижний  Новгород, 2010 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Использование металлов человеком началось в глубокой древности (более пяти тысячелетий  до н.э.). Вначале находили применение цветные металлы (медь, сплавы меди, золото, серебро, олово, свинец и др.), позднее начали применять черные - железо и сплавы на его основе.

     Длительное  время производство металлов носило примитивный характер и по объему было весьма незначительным. Однако в  конце XIX в. мировая выплавка стали  резко возросла с 0,5 млн. т в 1870 г. до 28 млн. т в 1900 г. Еще в большем объеме растет металлургическая промышленность в XX столетии.

     Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в  технике. При этом изменение формы  тела осуществляется преимущественно  с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой.

     Обработка металлов давлением представляет собой  важный технологический процесс  металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки существенно улучшаются механические и другие свойства металлов. 
 
 
 
 
 

     При обработке давлением холодного  металла изменяются его механические и физико-химические свойства: он становится более прочным и плотным за счет появления наклёпа и деформации кристаллической решетки на микро и макро уровнях. Наклёп накапливает в металле часть энергии деформации, которая приводит к поверхностному упрочнению деталей. Полосчатость микроструктуры и свивание волокон макроструктуры создают явление анизотропии (зависимость физических свойств вещества от вектора приложенного воздействия). Этим объясняются удивительные свойства булатного клинка или традиционного японского меча. Прокованные много сотен раз при небольшом нагреве (ниже температуры рекристаллизации) волокна металла скручиваются в жгуты, переплетенные в разных направлениях. Такой меч сочетает в себе твердость и гибкость. 

     Современные технологии обработка металлов давлением позволяют не только получить изделия любой формы, но и создавать материалы с заданными свойствами для работы в сложных и экстремальных условиях

     Горячая обработка проходит при высокой  температуре и сопровождается явлениями возврата и рекристаллизации. Наклеп в этих условиях не образуется, а физико-химические свойства металла почти не изменяются. Микроструктура металла остается прежней, но макроструктура слитков или заготовок становится полосчатой – это и создает анизотропию механических свойств: вдоль волокон металл демонстрирует лучшие качества, чем поперек. Кроме того, обработка давлением – самый экономичный способ работы с металлами, никаких потерь материала на стружку.

     Прессование металлов, способ обработки давлением, заключающийся в выдавливании (экструдировании) металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение прессуемого профиля. При П. м. создаётся высокое гидростатическое давление, вследствие чего значительно повышается пластичность металла. Прессованием можно обрабатывать многие хрупкие материалы, неподдающиеся обработке другими способами (прокаткой, ковкой, волочением). Различают следующие виды П. м. (рис.): с прямым истечением металла (направление движения металла совпадает с направлением движения пресс-шайбы — схемы а и б) и с обратным (металл течёт навстречу движению матрицы, которая выполняет также функции пресс-шайбы, — схемы в и г).

       При П. м. с прямым истечением  профиля сплошного сечения пресс-штемпель через пресс-шайбу передаёт давление на заготовку, находящуюся в контейнере. При этом металл заготовки выдавливается в отверстие матрицы, закрепленной в матрицедержателе, и образует профиль. Скорость истечения профиля во столько раз превышает скорость движения пресс-штемпеля (скорость прессования), во сколько раз площадь сечения полости контейнера больше площади отверстия в матрице. Отношение указанных площадей называется коэффициентом вытяжки. При прессовании трубы с прямым истечением металл заготовки выдавливается в кольцевой зазор между матрицей и иглой, образуя трубу заданной конфигурации. В этом случае заготовка перемещается не только относительно контейнера, но и относительно иглы.

       При П. м. с обратным истечением  силовое воздействие на заготовку осуществляется через контейнер, получающий движение в направлении, указанном стрелкой, через укороченный пресс-штемпель — пробку, запирающую контейнер. С др. стороны контейнер запирается удлинённым матрицедержателем, в котором закреплена матрица. При перемещении контейнера вместе с ним перемещается заготовка, и металл выдавливается в канал матрицы, образуя профиль.

       При П. м. с прямым истечением  вследствие трения металла о  поверхность контейнера периферийные  слои заготовки испытывают значительно  более высокие сдвиговые деформации, чем центральные слои. Неравномерность деформации приводит к различию структуры и свойств по сечению изделия; особенно заметно это при прессовании прутков большого диаметра. При П. м. с обратным истечением трение металла о поверхность контейнера отсутствует, вследствие чего неравномерность структуры и свойств по сечению изделия значительно меньше. Кроме того, при обратном истечении значительно меньше усилия, требуемые для П. м., благодаря чему возможно снижение температуры нагрева заготовок и повышение скорости процесса.

       Для получения труб и полых  профилей из алюминиевых и  магниевых, а в некоторых случаях  медных и титановых сплавов  используется также П. м. со  сваркой (схема д). Заготовка под  давлением, передаваемым пресс-штемпелем, рассекается гребнем матрицы в зависимости от его конструкции на 2 или несколько потоков металла. Эти потоки затем под действием высокого давления свариваются, охватывая сплошной массой иглу матрицы, выполненную за одно целое с гребнем. Окончательно труба формируется в кольцевом зазоре между матрицей и иглой.

       Существуют и другие способы  прессования: труб из сплошной  заготовки с предварительной  прошивкой её иглой; сплошных  и полых профилей плавно-переменного  или ступенчато-переменного сечения;  широких ребристых листов (панелей) из плоского (щелевого) контейнера и т.д. Промышленное применение находит также гидростатическое П. м. (гидроэкструзия), при котором давление на заготовку передаётся через жидкость. При этом способе силовое поле создаётся жидкостью высокого давления, подаваемой в контейнер от внешнего источника, или давлением на жидкость уплотнённого пресс-штемпеля. В современных установках для гидростатического П. м. давление жидкости в контейнере достигает примерно 3 Гн/м2 (30 000 кгс/см2).

       П. м. осуществляется как с  предварительным нагревом заготовки  и инструмента, так и без  нагрева. Холодное прессование  (т. е. без нагрева) используют  при обработке легкодеформируемых  металлов (олова, свинца, чистого  алюминия). Холодное гидростатическое  прессование вследствие весьма высоких давлений и отсутствия трения заготовки о поверхность контейнера позволяет обрабатывать и более труднодеформируемые металлы и сплавы (дуралюмины, медные сплавы, стали). Горячим прессованием получают изделия из различных металлов и сплавов: алюминиевых, титановых, медных, никелевых, а также тугоплавких металлов. Наиболее высокие температуры нагрева заготовок (до 1600—1800 °С) используют при прессовании вольфрама и молибдена.

       П. м. осуществляют на горизонтальных  гидравлических прессах; реже, в основном при прессовании труб и гидроэкструзии, используют вертикальные гидравлические прессы. В некоторых случаях для холодного прессования труб из легкодеформируемых металлов используют прессы с механическим приводом. П. м. позволяет получать сплошные профили с площадью сечения 0,3—1500 см2 и диаметром описанной окружности 1,5—90 см, круглые прутки диаметром 0,6—60 см и трубы диаметром 0,8—120 см с толщиной стенки 0,1—10 см. 

     Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распространенный. Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.

     Сущность  процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом, она уменьшается в своем поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.

     Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила и касательная сила трения (рис. 2). 

     

     Рис. 2 - Схема сил, действующих при прокатке

     Способы прокатки

     Когда требуется высокая прочность  и пластичность, применяют заготовки  из сортового или специального проката. В процессе прокатки литые заготовки  подвергают многократному обжатию  в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за счет залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это придает заготовкам из проката высокую прочность и герметичность при небольшой их толщине.

     Существуют  три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рис.3). 

     

     Рис. 3 - Схемы основных видов прокатки: а – продольная; б – поперечная; в – поперечно – винтовая

     При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис.3 а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счет сил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат.

     Поперечная  прокатка (рис. 3.б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.

     В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.

     Поперечно – винтовая прокатка (рис. 3.в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены  под углом друг другу. Прокатываемый  металл получает еще и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок.  

     Правка  проката

     Изделия, полученные прокаткой, часто требуют  правки. Иногда правку выполняют в  горячем состоянии, например, при  производстве толстых листов. Но обычно в холодном состоянии, так как последующее охлаждение после горячей правки может вызвать дополнительное изменение формы.

     Процесс правки заключается в однократном  или многократном пластическом изгибе искривленных участков полосы, каждый раз в обратном направлении.

     Правку  можно выполнять и растяжением  полосы, если напряжения растяжения будут  превышать предел текучести материала.

     Роликоправильные  машины с параллельно расположенными роликами предназначены для правки листа и сортового проката (рис. 7)

     

     Рис. 7 - Схема правки проката на роликоправильных машинах с параллельно расположенными роликами 

     Процесс правки заключается в прохождении  полосы между двумя рядами последовательно  расположенных роликов, установленных  в шахматном порядке таким  образом, что при движении полосы, ее искривление устраняется. Диаметр роликов – 25…370 мм, шаг – 30…400 мм, количество роликов: для тонких листов – 19…29, для толстых – 7…9.

     Правильные  машины с косо расположенными гиперболоидальными роликами предназначены для правки труб и круглых прутков (рис.8).