Лекция 6. 3 обработка металлов давлением

 

1. Зарождение и формирование техники обработки металлов давлением.

2. Кузнечно-штамповочное производство

3. Прокатное производство

4. Прессовое производство

5. Волочильное производство

6. Новые технологии обработки металлов давлением

 

Обработка металлов давлением является одним из наиболее эффективных способов превращения металлов в изделия, которые используются во всех отраслях промышленности и в быту.

Большинство элементов в периодической системе Менделеева являются металлами – химическими элементами, без которых сложно представить развитие цивилизации. Металлические изделия необходимы во всех видах человеческой деятельности: в строительстве, в машиностроении, в пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и т.д. Людей окружает множество металлических вещей, большую часть из которых они используют каждый день. Ножи, посуда, автомобили, самолеты, оборудование и многое другое невозможно без применения металлов.

Особый интерес представляет путь, который проходят металлы, превращаясь из сырья в изделия, используемые в сфере человеческой деятельности. В самородном виде металлы встречаются очень редко, и к ним относятся, например, драгоценные металлы золото, серебро, платина, палладий, а также медь. Чистое железо находят в метеоритах, а в основном металлы в природе содержатся в виде разнообразных химических соединений – минералов. Поиски минералов ведут геологи. После этого месторождениями, разведанными геологами, начинают заниматься горняки, которые добывают металлические руды открытым, если они залегают близко к поверхности земли, или закрытым, если руды находятся под землей, способами. Далее руды подвергают обогащению, которое проводится для отделения всех ценных минералов от пустой породы, а также взаимного разделения ценных минералов. Затем этими обогащенными минералами занимаются металлурги, которые различными способами получают из руд металлы.

Металлургическое производство делят на производство черных и цветных металлов.

Процесс металлургического производства наиболее распространенных металлических материалов – железо-углеродистых сплавов, называемый черной металлургией, заключается в последовательном проведении этапов обработки (переделов). Первый передел – получение чугуна из железной руды в доменных печах. Второй передел преследует цель переработать чугун в сталь. Третий передел – это обработка металлов давлением для получения металлических полуфабрикатов и изделий заданных форм и размеров, где основными операциями являются прокатка, прессование, ковка и штамповка. Четвёртым переделом называется дополнительная обработка деформированных полуфабрикатов – холодная прокатка полосового и листового металла, профилирование полосы (производство гнутых профилей), калибровка, волочение, нанесение защитных покрытий, а также производство метизов. Последний передел в общем цикле металлургического производства приобретает все большее значение, т.к. промышленности нужен не просто металл, а разнообразный прокат, пригодный для выпуска высококачественных надежных изделий с минимальными издержками. В результате возникают новые виды проката, их разнообразие возрастает, все обширнее спектр их технических и физико-химических параметров. Продукция черной металлургии на этой стадии по соблюдению размеров и формы, чистоте отделки уже не уступает изделиям точных производств. Четвертый передел может служить показателем научно-технического прогресса государства в металлургии, потому что состояние этой стадии, и ее возможности наглядно отражают степень проникновения инноваций во все стадии металлургического процесса.

Цветная металлургия производит различные цветные, редкие, тугоплавкие и драгоценные металлы. В качестве наиболее развитых производств можно выделить производство меди, алюминия, никеля, титана, вольфрама и молибдена, золота, серебра, платины, палладия и др. цветных металлов.

Помимо обработки давлением для получения металлических изделий применяют также различные способы литья и обработку металлов резанием.

Литье – это простой, высокопроизводительный и дешевый способ получения металлической продукции практически из всех металлов и сплавов. Литые изделия могут быть как простой, так и очень сложной формы, которую, например, имеют изделия, полученные художественным литьем. Обработкой резанием получают разнообразные детали, имеющие высокую точность размеров и чистоту поверхности. Но при этом, в масштабах мирового производства, за год в отход в виде стружки идут миллионы тонн металла, а сами эти операции характеризуются сложностью и трудоемкостью. Снизить объем металлорежущих операций можно за счет использования заготовок, близких по своим размерам к готовым изделиям.

Обработка металлов давлением объединяет указанные способы получения изделий из металлов. Так, в качестве заготовок для обработки давлением чаще всего используются отливки. В процессе деформирования меняется их структура: измельчается зерно, завариваются поры, устраняется химическая неоднородность (дендритная ликвация) и т.д. Изменения литой структуры способствуют улучшению уровня механических свойств: повышаются прочность и пластичность металлических заготовок. Кроме того, деформированный полуфабрикат становится максимально приближенным к готовой детали по своей форме и размерам, что значительно снижает количество отходов при обработке резанием и упрощает технологию этих процессов.

В ряду инженерных дисциплин обработка металлов давлением наиболее близка к литейному производству и к металловедению. Это закономерно, так как, во-первых, исходными заготовками для обработки давлением чаще всего являются слитки. Во-вторых, обработчики имеют дело с металлами, свойства которых определяются их структурой, меняющейся в процессе пластической деформации, обычно протекающей при высоких температурах.

Пластическое деформирование осуществляется различными способами, к числу которых относятся прокатка, ковка, горячая и холодная объемная штамповка, прессование, волочение, листовая штамповка и новые процессы обработки металлов давлением.

 

Рисунок 1. Процессы обработки металлов давлением

В последние годы широкое развитие получили новые процессы, основанные на совмещении разных видов обработки давлением, на комбинации их с литьем и т.д. Эти способы позволяют повысить энергоэффективность и производительность производства, улучшить свойства изделий, а также снизить количество отходов.

Обработка металлов давлением в целом является заготовительной базой машиностроения и металлургии, поэтому от ее качественного развития и совершенствования зависит создание мощных энергетических установок, современных летательных аппаратов, автомобилей и грузоподъемных машин, новейшей электронной и космической техники.

Кузнечно-штамповочное производство. Обработку металлов давлением можно отнести к древнейшим человеческим ремеслам, первым из которых являлось кузнечное дело. Так найденные металлические изделия из золота были изготовлены около восьми тысяч лет назад. Позднее были обнаружены изделия из самородного серебра и меди, при этом ученые установили, что они были получены ковкой. Отметим также, что кузнечное ремесло высоко ценилось в античном мире. Среди олимпийских богов почетное место занимал покровитель кузнецов Гефест – сын главного бога Зевса и его жены Геры, который считался богом огня и художественного ремесла. Гефест пользовался уважением в своем окружении, потому что был мастером высочайшего уровня, создавшим на Олимпе себе и другим богам дворцы из металла. Легендарный древнегреческий поэт Гомер посвятил много строф своей поэмы «Илиада» замечательным творениям этого мастера.

На Руси кузнечное дело возникло приблизительно в VI веке до н.э. Русские кузнецы могли ковать из металла мечи и серпы, топоры и ножи, кольчуги и шлемы, искусство изготовления которых поражает наших современников. В первой половине XVI века русские кузницы поставляли на вооружение кованые вручную пушки. В 70-х годах XVIII века в Москве было более трехсот кузниц, а кузнецы, медники, слесари, серебряники по числу дворов занимали в городе второе место после галантерейщиков. В каждом доме были вещи, изготовленные кузнецами – от тонкого обручального кольца до окованных железом ларцов, в которых хранили самое ценное. Профессия кузнеца была очень уважаемой в народе. Труд кузнецов прославлен во многих литературных произведениях. Ярким примером является история русского мастера Левши, подковавшего английскую блоху, которую описал писатель Н.С. Лесков. О принадлежности к кузнечному делу самих владельцев или их предков свидетельствуют такие распространенные в мире фамилии, как Смит, Шмидт, Ферран, Коваль, Ковач, Чанг, а в России очень часто можно встретить Кузнецовых, Ковалевых и т.д.

Хронологически историю кузнечного дела принято начинать с железного века, когда первобытный человек впервые стал изготавливать из него инструменты. Тогда люди заметили, что если на углях нагреть определенный тип породы до очень высокой температуры, то получится железо. Поэтому можно утверждать, что кузнечное дело очень долгое время оставалось основным способом обработки металла для создания орудий. В целях защиты от зверей и врагов, а также для охоты и обработки земли первобытный человек ковкой изготовлял из железа боевое оружие и орудия мирного труда.

Прошли сотни лет после того как были сделаны первые простейшие железные копья, наконечники стрел и иглы, прежде чем люди узнали о магнитных свойствах железа. Первый компас состоял из кованых железных игл, плавающих в круглом флаконе. Это стало величайшим историческим открытием и с этого момента моряки больше не нуждались ни в звездах, ни в солнце, чтобы проложить курс своих кораблей.

Кованое железо содержало низкий процент углерода, поэтому было менее прочным, чем сталь, но оно отличалось высокой пластичностью и прекрасно поддавалось кузнечной сварке. При правильном режиме сварки получалось бесшовное соединение между деталями. Железо, состоящее из нескольких слоев или покрытий, было гораздо прочней, чем однослойное и его применяли для изготовления пушек. При этом кузнецы всегда участвовали в изготовлении оружия.

Интересно, что технология изготовления наконечников для копий существенно отличалась в Древней Руси и Римской Империи. Русские копья служили для колющего удара и его старались делать как можно тверже, в отдельных случаях вваривая стальные лезвия. Наконечник изготавливали с заостренной частью, которую вгоняли в древко копья. Намного сложнее была технология ковки римских копий особой конструкции. Их изготовление требовало особого мастерства. Железный стержень отковывали достаточно тонким, чтобы он пружинил. Со стальным наконечником стержень был соединен кузнечной сваркой, а с деревянным древком скрепляющей муфтой. Такая конструкция позволяла легионерам получать преимущество в бою. Не стараясь попасть в незащищенные части тела противника, римляне целились в деревянные щиты врагов. Вытащить такое копье в бою из щита было практически невозможно. Тяжелое, длинное древко оттягивало руку щитоносца вниз вместе со щитом. Кроме того тонкий железный стержень копья, изгибался вниз и древко упиралось в землю, затрудняя продвижение вперед. Враг становился беззащитным, и римляне уничтожали его мечом.

Следует отметить, что раньше кузнец владел несколькими специальностями, мог делать доспехи, оружие, орудия труда, замки, подковы для лошадей и многое другое. Кузнец даже мог вырывать людям зубы. В деревне у кузнеца обычно была своя кузница, в которой продавались различные бытовые предметы, в ней он ремонтировал цепи, колесные диски, топоры и другие инструменты.

Существуют факты, свидетельствующие об обработке метеоритного железа такими кузнецами в Сибири в XVIII веке. В одной из деревень вблизи Красноярска жил необыкновенной физической силы кузнец, отличающийся исключительной любознательностью и умом, фамилия которого была Медведев. И вот до Петербурга дошли слухи, что этот кузнец располагает сведениями об "упавшей с неба" железной глыбе и кует из него различные изделия. По приказу Екатерины на поиски метеорита в Красноярск был направлен известный естествоиспытатель Петр Симон Паллас. Оказалось, что рассказы о «черном камне», который упал с неба на берег Енисея, были правдой. За кузницей Медведева находилась глыба, весившая около 40 пудов. Палласово железо, так его именуют сегодня, совершило путешествие из Красноярска в Петербург и попало в столицу в 1772 году.

На протяжении веков кузнецы искали способы упрочнения металла и изобрели закалку стали. Они же разработали различные способы изменения содержания углерода и других элементов в железе, что расширило возможности его применения. В результате появились углеродистые и легированные стали, а также разные сплавы, используемые и в настоящее время.

Много веков назад в Дамаске был изобретен особый способ производства клинков, называемых дамасскими. Процесс создания лезвия был сложным и длительным. Сталь трех видов складывали слоями и ковали. Иногда количество слоев доходило до 192 и более. Дамасская сталь имеет сложную структуру, а поверхность каждого клинка уникальна. Благодаря сочетанию трех сортов металла, края лезвий становились очень острыми, долго не тупились, и точить их было просто. Дамасский меч представлял собой произведение искусства и мог стоить целого состояния.

Только в начале XVI века в кузнечном деле стало применяться первое оборудование для ковки – механические рычажные молоты с массой падающих частей 70 – 150 кг, приводимые в движение водой. В местах, где нельзя было воспользоваться энергией воды, применялись также копровые или пестовые молоты. Бабу (подвижную часть таких молотов) поднимали за канат, перекинутый через блок 7 – 10 человек, затем канат отпускали и она падала, нанося удар по поковке.

В дореволюционный период необходимо отметить огромный вклад в развитие кузнечного ремесла, внесенный тульскими оружейниками. В начале XVII века существовали уже кованые пушки, пищали и другое оружие. Но развитие кузнечного дела сдерживалось низкой технической культурой, к тому же мастера-кузнецы не могли наладить массовое производство изделий, необходимых государству. По указу Петра I в Туле в 1712 году был построен первый государственный оружейный завод, на котором впервые была применена горячая штамповка железа, а затем была изобретена одноручьевая молотовая штамповка оружейных деталей из железа. Петр I перед этим посетил много городов и стран Европы, где изучал кузнечные заводы, приглашал в Россию мастеров-умельцев. До сих пор в Германии рассказывают о том, что при посещении кузнечных заводов особое удовольствие царю доставляло забираться на хвостовик больших механических молотов с приводом от водяного колеса и раскачиваться на нем, как на обычных качелях.

Бурное развитие металлургической и металлообрабатывающей промышленности вызвала промышленная революция XVIII века. Постройка железных дорог, паровозов, вагонов, пароходов шла очень быстрыми темпами и требовала соответствующих механизмов для изготовления тяжелых и больших поковок.

Промышленная революция отразилась и на создании оборудования для ковки. В 1842 году англичанин Несмит запатентовал паровой молот и организовал их производство в шотландском городе Эдинбурге. Вот как описывают появление первого парового молота. Во Франции строился огромный пароход "Великобритания". Необходимо было изготовить железный гребной вал невиданных тогда размеров (диаметром около 77 см). Но ни одна из фирм не в состоянии была выполнить заказ. Тогда обратились к изобретателю и «чертеж был готов спустя полчаса по получении писания…» – писал Несмит.

Молот состоял из наковальни, куда кладут заготовку для ковки; из громадного куска металла в форме молота, производящего удар и парового цилиндра, поршень которого, идя вверх, поднимал на определенную высоту соединенный с ним молот (боек). Пар выпускался, вследствие чего, молот под собственной тяжестью мгновенно падал вниз, ударяя по заготовке.

До изобретения парового молота большие изделия, наподобие якорей судов, изготавливались из отдельных маленьких частей, а потом сваривались вместе. Главная особенность паровой машины была в том, что оператор управлял силой каждого удара. Несмит любил хвастать возможностью молота, демонстрируя, как тот мог сначала разбить яйцо, помещенное в фужер, не повреждая стекло, а затем следовал удар в полную силу, который сотрясал здание. Преимущества его изобретения стали настолько очевидными, что вскоре молот Несмита можно было встретить во всех больших мастерских по всей стране. У этого молота энергия пара расходовалась только на подъем подвижных частей. Такие молоты назвали молотами простого действия. Они имели несовершенное управление и низкий коэффициент полезного действия.

За короткий промежуток времени конструкция парового молота значительно усовершенствовалась. Давление пара стало использоваться не только для подъема бабы, но и для нанесения ударов по поковке. Для парораспределения и управления молотом были сконструированы золотниковая коробка, механизм управления и приспособления, позволяющие наносить автоматические удары. Современный паровой молот, оснащен механизмом, обеспечивающим возможность нанесения единичных и автоматических ударов, и приводится в действие и паром и сжатым воздухом. Такой молот называют молотом двойного действия.

С развитием машиностроения в XVIII и XIX веках и увеличением размера и веса поковок повышался и вес падающих частей паровых молотов. В ряде стран были сооружены паровые молоты с массой падающих частей (50 – 100 т) и выше. Так, на заводе Круппа, в городе Эссене (Германия) был изготовлен паровой молот с массой падающих частей 75 т, на бывшем Путиловском и Пермском заводах (Россия) – 50 т, на заводе в городе Крезо (Франция) – 100 т, на заводе Вифлеемской компании (США) – 125 т.

Например, уникальная отливка – чугунный шабот (основание, наковальня) массой 600 тдля самого мощного в то время ковочного молота с массой падающих частей 50 т была изготовлена в России в 1875 году. Для отливки этого гиганта на Мотовилихинском заводе в Перми построили огромный литейный цех. Двадцать вагранок в течение 120 часов непрерывно плавили металл. Шабот остывал три месяца, затем он был вынут из формы и с помощью только одних рычагов и блоков передвинут к месту расположения молота.

Горячая объемная штамповка возникла из ковки, а ее элементы были известны издавна. Археологические находки показывают, как с помощью фигурных штампов-обжимок в древности делали венчики для стрел. Кроме того, во многих операциях ковки есть признаки объемной штамповки в виде применения вспомогательного инструмента, например, обжимок, подкладных штампов. Разновидность ковки, при которой сразу всю поковку получают ковкой в подкладном штампе, можно отнести и к объемной штамповке, производимой на оборудовании для ковки.

Однако как самостоятельный вид обработки металлов давлением горячая объемная штамповка, возникла значительно позднее ковки. В России горячая штамповка впервые была применена на Тульском оружейном заводе кузнецом-оружейником В. А. Пастуховым, который в 1817 году на винтовом рычажном прессе в подкладных штампах отштамповал первую партию курков. Приблизительно в тоже время на Сестрорецком заводе, расположенном под Петербургом, использовали процесс калибровки-выглаживания для откованных вручную железных деталей, а также производили вальцовку сабельных клинков и штыков.

В 1819 году на Тульском оружейном заводе уже применялась одноручьевая штамповка для изготовления ряда железных оружейных деталей. Причем для некоторых деталей применяли обрезку заусенца и последующую правку. Проводили даже повторную штамповку со вторичной обрезкой заусенца. Для штамповки использовали молоты простого действия, а для обрезки и прошивки отверстия – винтовые прессы.

Появление во второй половине ХIХ века паровых молотов способствовало коренному усовершенствованию объемной штамповки, а использование с начала ХХ века горизонтально-ковочных машин еще больше расширило область применения горячей объемной штамповки.

В XIX веке для горячей объемной штамповки начали применять приводные механические и пневматические молоты, а затем стали использовать кривошипные прессы и другие кривошипные кузнечно-штамповочные машины. В ХХ веке были сконструированы и получили широкое распространение специальные молоты для горячей штамповки: с шаботом, бесшаботные молоты с двухсторонним вертикальным или горизонтальным ударом, не требующие громоздких фундаментов и не вызывающие сотрясения зданий, молоты с нижними цилиндрами, листоштамповочные и др.

В России в настоящее время имеются специальные штамповочные молоты с массой падающих частей 30 т в Чебаркуле, а также 16 и 25 т – в Санкт-Петербурге на заводе турбинных лопаток, которые имеют фундаменты, оснащенные амортизаторами. Каждый молот обслуживает по 2 манипулятора. Первый манипулятор подает заготовку из печи на молот, второй – убирает штамповку с молота и подает на обрезной пресс.

В 1861 году появились гидравлические прессы – машины для ковки крупных поковок. Это оборудование работает медленнее паровых молоты, не приводит к сотрясению почвы и зданий, не вызывает шума при работе. Деформирование металла на прессе производится не ударом, а постепенным давлением. Гидравлический пресс быстро завоевал себе достойное место в кузницах, особенно при ковке крупных поковок из слитков, а в последние годы гидравлические прессы широко применяются и для горячей штамповки.

Благодаря своим высоким технологическим качествам, гидравлические прессы стали вытеснять сначала тяжелые, а затем и средние молоты. Изготовление тяжелых молотов прекратилось, а уже имеющиеся молоты заменялись прессами. Так, самый тяжелый молот, с массой падающих частей 125 т на заводе Вифлиемской компании в США был заменен прессом усилием 140 МН.

Сейчас в России имеется два гидравлических пресса усилием 750 МН. Один установлен на металлургическом заводе в Самаре, другой работает на Урале в Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении. Проектирование этих прессов осуществлялось под руководством профессора Б.В. Розанова. В настоящее время в России и в Китае ведутся работы по созданию прессов усилием 800 МН.

В 1975 году в Советском Союзе по заказу французской фирмы «Интерфорж» был изготовлен сверхмощный гидравлический пресс усилием 650 МН для штамповки сложных крупногабаритных деталей авиационной и космической техники. Для его установки при въезде в город Иссуар построили огромный производственный корпус. Контракт предусматривал изготовление пресса а также его монтаж и пуск силами советских специалистов. В ноябре 1976 года пресс отштамповал первую партию деталей. Французские газеты называли его «машиной века» и приводили любопытные цифры. Масса этого гиганта составила 17000 т, что в два раза превышает массу Эйфелевой башни, а высота цеха, где он установлен, равна высоте собора Парижской богоматери.

Несмотря на огромные размеры пресса-гиганта, процесс штамповки на нем характеризуется большой скоростью при необычно высокой точности. Накануне пуска агрегата французское телевидение показывало, как траверса массой 2000 т аккуратно раскалывает грецкие орехи, не повреждая их сердцевину, или задвигает поставленный вертикально спичечный коробок, не оставляя при этом на нем ни малейших повреждений.

Машиностроение требует более быстрого роста производства кузнечно-прессовых машин по сравнению и ростом производства металлорежущих станков, значительного увеличения выпуска кузнечно-прессового оборудования, особенно мощных гидравлических, механических, ковочно-штамповочных и чеканочных прессов, горизонтально-ковочных машин и высадочных автоматов.

Возникновение такого метода обработки металла, как листовая штамповка было связано с необходимостью производства одинаковых по форме изделий для домашнего обихода, а также для изготовления оружия. Начало листовой штамповки в России относится IX – X вв. Уже тогда в Киеве, Чернигове и других местах южной России такие изделия, как шлемы, мечи, клинки и другие предметы вооружения из железа и стали, изготовлялись методом штамповки при помощи бородков (пуансонов) и форм (матриц). К тому же периоду относятся ковка и чеканка цветных и драгоценных металлов для самых разнообразных целей.

Особом искусством русских мастеров того времени являлось изготовление посуды из тонких листов металла.

Чеканка первоначально производилась путем нанесения узора стальными пуансонами. В X веке появляется плоскорельефная чеканка с образованием рисунка, возвышающегося над плоскостью детали. С IX века развивается искусство выпуклой чеканки, известное преимущественно по новгородским образцам, выполненным мастерами – художниками чеканочного дела. Новгородцы тогда же на ручных рычажных прессах при помощи несложных штампов изготовляли оружие и другие изделия.

В Московском государстве в ХV– XVI веках для производства оружия (защитного вооружения – панцирей, шлемов и т.д.) применялись методы штамповки с использованием подкладных штампов.

К этому же периоду относится штамповка – чеканка монет в Московском государстве, в то время как за границей монеты еще отливались. Однако это производство не было массовым, им занимались лишь ремесленники, работая вручную.

Свое дальнейшее развитие и совершенствование листовая штамповка получила уже в период бурного технологического развития в девятнадцатом веке, когда требовалось увеличение производства оружия и предметов быта. Совершенствование оружейного производства требовало серийного производства деталей и, конечно, значительного повышения их качества, что естественно потребовало новых технологических подходов к их изготовлению.

П.П. Аносов

В начале двадцатого столетия листовая штамповка изделий из металла стала ключевым звеном в развитии такой отрасли, как автомобилестроение. И уже в течение всего двадцатого века данный вид обработки неизменно участвовал в технологическом процессе производства тяжелого машиностроения: тридцатые годы – судостроение, пятидесятые – ракетостроение. И это не случайно, процесс листовой штамповки позволяет получить сложные по форме изделия с сохранением и упрочнением качественных характеристик металла. При этом практически отсутствуют ограничения по размерам изготавливаемых изделий и объемам производства. Сейчас листовая штамповка широко применяется почти во всех областях металлообработки.

Русские ученые, машиностроители и изобретатели внесли крупный вклад в теорию и практику ковочно-штамповочного производства и кузнечного оборудования. Так, русский кузнец Марк Васильевич Сидоров и оружейник Василий Антонович Пастухов уже в начале XIX в. применили на Тульском заводе процесс горячей штамповки железа. Широко известны такие русские ученые как П.П. Аносов, П.М. Обухов и другие. С именем П.П. Аносова, например, связано раскрытие тайны булатной стали. Булатные клинки ценились очень высоко во все времена, так Бируни пишет, что стоимость индийского меча была равна цене лучшего слона. Исследования Аносова показали, что булат оказался высокоуглеродной сталью без каких-либо примесей. Российских ученых Д.К. Чернова и С.И. Губкина считают создателями современной теории обработки металлов давлением и теории кузнечных машин. Большой вклад в теорию и технологию кузнечно-штамповочного производства внесли А.Ю. Аверкиев, А.Г. Навроцкий, И.М. Павлов, В.П. Романовский, М.В. Сторожев, Е.И. Семенов, Л.Г. Степанский, В.А. Тюрин, Я.М. Охрименко, А.Г. Овчинников, Е.П. Унксов и другие ученые.

Д.К. Чернов

Дальнейшее развитие кузнечно-штамповочного производства, как прогрессивного метода обработки металлов, связано с разработкой новых технологических процессов формоизменения металлов и с дальнейшим внедрением механизации, автоматизации и компьютеризации всех операций этого производства. Особое внимание следует обратить на разработку таких процессов кузнечно-штамповочного производства, которые обеспечивают получение чистовых деталей, требующих только минимальной механической обработки резанием, например, шлифовки.

Ппрокатное производство. Время изобретения прокатки металлов относят к средним векам и связывают с растущей потребностью в получении металлических листов. До XVI века наиболее распространенным способом получения листов была ковка. Ковку листов называли листобойным делом и занимались им еще античные и особенно средневековые кузнецы. Однако достигнуть ковкой строго определенной толщины листа по всей его площади было невозможно. Кроме того, данный способ был трудоемок и малопроизводителен. Эту серьезную техническую проблему удалось успешно разрешить применением прокатного стана с гладкими цилиндрическими валками.

Самый ранний документ в виде рисунка с описанием устройства для прокатки олова принадлежит перу гениального ученого Леонардо да Винчи и датируется 1495 годом. Автор оставил изображение ручного прокатного стана с гладкими валками с кратким к нему пояснением. По данным ученого, прокатный стан предназначался для изготовления «тонких и равномерных оловянных листов». Леонардо да Винчи отмечал, что валки должны быть

изготовлены «из колокольного металла, чтобы они были тверже, и их снабжают железными осями». Известно, что в прокатном стане Леонардо да Винчи приводным являлся один нижний валок, на оси которого было насажено червячное колесо. Передача движения прокатному валку производилась через червячную пару массивной рукояткой. До сих пор нет единого мнения о том, является ли изображенный Леонардо да Винчи прокатный стан его изобретением, или же автор дал эскиз заинтересовавшего его технического новшества, уже применявшегося на практике.

Примерно до конца XVII века привод прокатного стан оставался ручным, а в XVIII веке произошел переход на водяной привод. Примерно с этого времени началась промышленная прокатка железа. В России это производство особенно широко развивалась на Урале, где прокатные станы применялись для производства кровельного железа, плющения кричной заготовки в полосу или лист, разделения откованной полосы по длине на более мелкие профили квадратного или прямоугольного сечения, для чего использовались так называемые «резные станы».

В конце XVIII века для привода прокатных станов начали применять паровые машины, и прокатка становится одним из трёх основных звеньев производственного цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя менее производительный способ ковки. К этому периоду относится промышленное применение прокатного стана с калиброванными валками, сконструированного в 1783 году Кортом (Великобритания), а прокатные станы постепенно специализируются и их начинают делить на обжимные, листовые и сортовые. В 30 – 40-х годах XIX века, в связи с бурным развитием железных дорог, в разных странах начинают прокатывать рельсы. В 1856-1857 годах в Сааре (Германия) был установлен первый прокатный стан, предназначенный для прокатки крупных балок. Развитие конструкций и специализация этих станов привели к появлению в США в конце XIX века первых обжимных станов: блюмингов и слябингов. В 1867 году в Англии построили непрерывный проволочный стан. В 1885 в Германии изобрели способ винтовой прокатки бесшовных труб в прокатном стане с косо расположенными валками. В 1886 году в США применили быстроходную проволочную моталку с осевой подачей. Первые летучие ножницы были установлены в 1892 году в США. В 1897 году для привода прокатного стана в Германии успешно применили электродвигатель. В 1906 году в Словакии был запущен прокатный стан с реверсивным электродвигателем. Принцип непрерывной горячей прокатки листов нашёл практическое применение в 1892 году в Чехии, где был установлен полунепрерывный стан. Первый непрерывный широкополосный листовой стан построили в США в 1923 году. Начало холодной прокатки листов относится к 80-м годам XIX века; а холодная прокатка труб была освоена в США в 1930 году.

В СССР в 1933 году на Макеевском и Днепродзержинском металлургических заводах были введены в эксплуатацию два блюминга, изготовленные Ижорским заводом. В 1940-1960 годах Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) был создан ряд прокатных станов для новых технологических процессов. Это оборудование обеспечивало производство многих изделий, которые ранее получали другими, менее эффективными способами (тонкостенные безрисочные трубы, листы переменной толщины по длине, профили круглого периодического сечения, шары, втулки, винты с крупным шагом, ребристые трубы и др.). В 1959-1962 годах ВНИИМЕТМАШ и Электростальским заводом тяжёлого машиностроения создаются принципиально новые трубные станы с бесконечным редуцированием труб (как при печной сварке, так и при радиочастотной), а также станы для непрерывной прокатки бесшовных труб с производительностью около 550 тыс. тонн в год. В эти же годы были пущены разработанные ВНИИМЕТМАШ, Научно-исследовательским институтом автомобильной промышленности и Горьковским автомобильным заводом первые станы для прокатки цилиндрических и конических колёс.

В 60-е годы XX века в СССР, США, ФРГ и Италии было начато создание литейно-прокатных агрегатов, в которых совмещались процессы непрерывного литья и прокатки. В дальнейшем такие агрегаты получили широкое применение для производства катанки из алюминиевых и медных сплавов, листов из алюминиевых сплавов и заготовок из стали.

Для России имеющей многочисленные магистрали нефте- и газопроводов, гигантские заводы, многочисленные мосты, большой флот, свою атомную промышленность в большом объеме требуется широкоформатный листовой прокат. К началу 2012 года в России были введены в эксплуатацию три широкополосных стана: в городах Колпино, Магнитогорске и Выксе. Магнитогорский стан 5000 был введен в эксплуатацию в 2009 году и специализируется на получении проката для трубной промышленности. Поставка осуществляется на Челябинский трубопрокатный завод, а также на Выксунский металлургический завод. Мощность этого стана составляет свыше 1,5 млн. тонн листа в год, в том числе около 0,3 млн. термически обработанного листа. Максимальная ширина проката 4850 мм. На стане освоены технологии высокотемпературной и низкотемпературной прокатки, а также прокатки листов различной толщины и ширины. Выксунский стан 5000 введен в эксплуатацию в 2011 году и предназначен для получения проката для трубной промышленности. Мощность стана составляет 1,5 млн. тонн проката в год, а толщина листа - до 48 мм.

Таким образом, пуском этого уникального оборудования Россия подтвердила свое место среди лидеров мирового листопрокатного производства.

Прессовое производство. В XVII веке быстро развивались металлургия, машиностроение и другие виды промышленного производства. Одним из основных стимулов для развития процесса прессования послужила возрастающая в XVII-XVIII веках потребность в трубах для подачи жидкостей. В 1797 году в своем патенте на изобретение Д. Брам описал пресс для изготовления труб из свинца и других металлов. Для прессования изобретатель использовал жидкий свинец, который подавался в цилиндр, а затем при помощи поршня выдавливался в кольцевой зазор, образованный оправкой, введенной в трубную опору. При этом низкая температура плавления и высокая пластичность свинца не требовали больших усилий для выдавливания.

Первая известная конструкция вертикального гидравлического пресса, также предназначенного для изготовления свинцовых труб, была разработана в 1820 году в Англии Т. Бурром. В конструкцию пресса входили контейнер, пресс-штемпель с пресс-шайбой, оправка и матрица. В 1867 году Хаммон изобрел контейнер с газовым нагревом. Развитие электрификации послужило использованию прессования для изготовления свинцовых кабельных оболочек, и в 1879 году Борелл построил первый пресс, с помощью которого свинец напрессовывался на кабельный сердечник. В 1894 году А. Дику впервые удалось на прессах для свинца осуществить прессование других металлов, что было показано на примере латуни. Этого изобретателя считают основателем способа прямого прессования. В 1896 было предложено заменить монолитный (из чугуна или стали) контейнер на многослойный. Во всех описанных случаях металл заливали в контейнер в расплавленном состоянии.

С изобретением более мощных прессов, в которых усилие создавалось с помощью насосов и аккумулятора, появилась возможность перейти на прессование металлов в твердом состоянии и увеличить размеры заготовок. Это также позволило заменить прокатку прутков, профилей и проволоки из латуни на получение этой продукции прессованием, а с 1914 года начали получать пресс-изделия из стали.

До 60-х годов ХХ века для прессования (особенно труб) применялись в основном вертикальные прессы, позволявшие обеспечивать высокую равномерность по толщине стенки труб. Однако в это время удалось улучшить конструкцию горизонтальных прессов, которые в скором времени вытеснили вертикальные прессы.

В 1925 году были построены первые прессы для обратного прессования, которые сначала применили для прессования латуни, а затем стали использовать для получения пресс-изделий из трудно деформируемых сплавов.

В течение долгого времени прессы изготавливали для выполнения определенного заказа и только в 60-х годах ХХ века стали изготавливать универсальные прессы. В России механические устройства для прессования пластичных материалов применяли с XVIIвека, а первые установки для прессования появились в конце XIX века.

С течением времени техника прессового производства совершенствовалась: улучшались конструкции прессов и увеличивались их усилия; использовались более совершенные конструкции прессового инструмента и материалы для их изготовления; вовлекались в обработку все новые металлы и сплавы, усложнялась форма, и в итоге улучшалось качество пресс-изделий.

В настоящее время особо бурное развитие получило производство прессованных алюминиевых полуфабрикатов. Основными потребляющими отраслями являются машиностроение, строительная промышленность и производство тары и упаковки, а основными потребителями являются три региона мира: Северная Америка, Европа и Азия.

Волочильное производство. После ковки волочильное производство считается древнейшим видом обработки металлов давлением. Первым видом продукции была проволока, которую до изобретения волочения изготавливали ковкой, либо разрезкой кованого листового металла. Как правило, поверхность такой проволоки была неровной, а форма и площадь ее поперечного сечения по длине неодинаковой. Существовало два основных способа получения кованой проволоки. При первом способе слиток или кусок металла ковали молотком в пруток заданной толщины и профиля. При втором способе из слитка или куска металла ковкой получали лист, затем разрезали его на квадратные полоски, края которых округляли ударами молотка.

Попытки облегчить кропотливый и тяжелый труд, желание производить более изящную и тонкую проволоку привели к тому, что постепенно (к IV тыс. до н.э.) был разработан новый способ получения проволоки. Суть способа заключалась в том, что для сглаживания неровностей, калибрования и уплотнения проволоки ее стали проталкивать через отверстия, выполненные в твердых материалах. Образцы такой проволоки из золота, датируемые IV тыс. до н.э., найдены в Египте. Впоследствии эта операция выравнивания поверхности проволоки и послужила аналогом волочения. Таким образом, волочение металлов возникло и развивалось как результат растущей потребности в проволоке и в проволочных изделиях, широко применявшихся в ювелирном деле и при изготовлении предметов быта. В ювелирных ремеслах использовалось огромное количество драгоценных металлов и их сплавов. Золотую и серебряную проволоку применяли также в качестве заменителя денег в торговле. Спрос на проволоку способствовал совершенствованию техники волочильного производства.

Значительное распространение получили у древних народов тканые и шитые золотом одежды. Особенность этого вида искусства заключается в умении изготовлять тончайшие нити проволоки, которые с основой материала образуют эластичную и красивую ткань.

В Уре найдены также сканные (филигранные) изделия, датированные III тыс. до н.э. Сущность сканного производства состоит в том, что из тонкой золотой, серебряной или медной проволоки круглого или четырехугольного сечения (нарезанной из тонких листов или полученной волочением) выполняются ажурные или напаянные на металлический фон узоры. Для большей красоты проволока предварительно скручивается в две или три нити и сплющивается.

Волоченая проволока применялась не только для украшений и предметов роскоши. Представляют интерес находки совершенно новой для того времени проволочной продукции – проволочных тросов. Например, найденный археологами при раскопках античного города Помпеи трос имел диаметр около 25 мм, состоял из трех стренг, каждая из которых была скручена из 15 проволок. Длина троса составляла около 4,6 м. Установлено также, что в IV в. до н.э. с проволочными тросами были знакомы китайские ремесленники. Появление проволочных тросов подтверждало расширение сферы потребления проволоки и свидетельствовало об использовании ее в технике. По всей вероятности, тросы применялись в строительных работах для поднятия или перемещения тяжестей.

Высокий уровень металлообработки в Греции и Римской империи оказал влияние на соседние страны Западной Европы. В первых веках нашей эры в Западной Европе, вступившей на путь феодального развития, образовались новые районы высокоразвитого металлообрабатывающего и ювелирного производства.

Считают, что в самом примитивном виде способ волочения начали применять в древнейший период (еще до появления металлических орудий) для отделки стержней дротиков и гарпунов. Стержни изготовляли из сырого дерева и затем калибровали протаскиванием (волочением) через костяные выпрямители. Можно предположить, что в дальнейшем аналогичное калибрование стали применять и к кованым пруткам из цветных металлов, используя деревянные калибры. Подобные калибры изготовляли, вероятно, из твердых деревянных досок путем выжигания в них конических отверстий. В результате такой протяжки можно было сделать поверхность прутка гладкой и полированной.

Дерево, обладающее низкой стойкостью к истиранию, впоследствии было заменено другими, более прочными материалами, например камнями. Так, во многих странах мира найдены камни с просверленными коническими отверстиями. Древние мастера умели высверливать в камнях отверстия не только больших, но и малых диаметров. Сверление производилось смычковой дрелью, хорошо известной древнеегипетским ремесленникам. Абразивным материалом при сверлении служили кварцевый песок, толченый кремень и другие порошкообразные материалы. Конические отверстия, похожие на входное отверстие волоки, могли просверливать либо медным, либо каменным острием при помощи абразивного материала. Вероятно, таким методом просверлены отверстия в каменной волоке, найденной на территории Грузии во II тыс. до н.э. Этот волочильный камень является одной из известных находок волочильного инструмента древнего периода. Волока представляет собой плоский камень из яшмы с несколькими отверстиями. Внутренняя форма отверстия напоминает современный канал волоки для волочения проволоки – два перевернутых усеченных конуса. Два больших отверстия на камне, расположенные по диагонали, служили, очевидно, для закрепления каменной волоки перед протягиванием проволоки.

Огромным шагом вперед в развитии техники волочения было использование более эффективного железного (стального) волочильного инструмента. Наиболее древними экспонатами могут служить две металлические волочильные доски, найденные в одном из финикийских поселений, возраст которых насчитывает 2000 лет. Приведенные сведения о железных волоках, вероятно, не исключают более раннего применения железа для изготовления волочильного инструмента.

Железная волока имеет значительные преимущества, по сравнению с каменной, заключающиеся в следующем. Во-первых, твердость, прочность и износостойкость такой волоки можно повысить, подвергнув металл механическому упрочнению наклепом. Во-вторых, трудоемкую операцию сверления отверстия в такой волоке можно заменить пробивкой отверстия в горячем состоянии с последующим выравниванием отверстия рассверливанием и полировкой (шлифовкой). В-третьих, изношенное волочильное отверстие железной волоки легко выправлялось до первоначального диаметра неоднократной холодной наклепкой вокруг входного и выходного отверстия волоки.

Изготовление волочильных досок было сложным делом и требовало больших навыков в металлообработке, поэтому заготовку для волочильной доски нужных размеров и с определенными качествами металла мог изготовить лишь кузнец, обладающий необходимыми знаниями в выплавке и обработке железа.

Пробивку отверстий определенных размеров и формы мог делать и волочильщик. До сих пор нет точных сведений о составе металла первого волочильного инструмента.

В сообщениях археологов волочильные доски обычно называются железными, хотя сразу же делаются предположения о возможности цементации железа или применении для их изготовления стали. На это указывает широкое использование разнообразных железных цементированных и стальных инструментов кузнецами и ювелирами X века.

Приведенные данные показывают, что уровень техники изготовления инструмента мастерами того периода мог обеспечить волочильное производство качественными стальными досками, пригодными для волочения не только цветных и драгоценных металлов, но и железа.

В книгах тех лет описано также производство золотой, серебряной, медной, латунной, свинцово-оловянной и железной проволоки. Золотая проволока применялась в ювелирном деле, а медная и серебряная шла на изготовление цепей для кадил. Медной и латунной проволокой украшали переплеты книг. Железная проволока использовалась для заклепок, гвоздей и замков. Кроме того, из латунной тонкой проволоки делали щетки для полирования позолоченных поверхностей.

В X – XIII в.в. волочение проволоки было важной отраслью металлообрабатывающего производства в Западной Европе, где создаются цеховые объединения волочильщиков проволоки. Продукцию этих цехов составляла медная, бронзовая и железная проволока, которая шла для изготовления предметов быта: иголок, булавок, заклепок, гвоздей, кардных щеток и т.п.

Технику волочения проволоки широко применяли ремесленники Древней Руси. Из золота и серебра русские мастера изготовляли золотошвейные нити, а также проволоку из цветных металлов. Из толстой волоченой проволоки (диаметром 2 – 3 мм) делали браслеты, гривны (швейные обручи), различные украшения. Чаще всего употреблялась свитая проволока, сложенная в три-четыре раза. Длина проволоки для изготовления одного браслета доходила до 1,5 м.

В простейших волочильных приспособлениях далекого прошлого усилие волочения передавалось непосредственно мускулами рук человека. Впоследствии этот способ был несколько усовершенствован благодаря применению так называемого волочильного приспособления с качающимся сиденьем (по типу качелей). Мастер сидел на доске, подвешенной на двух канатах. Волочильная доска забивалась в пень, клещи привязывались к поясу мастера, который захватывал клещами заостренный конец проволоки, продетый в волочильное отверстие, а затем, упираясь ногами в пень, отталкивался назад. За одно отклонение протягивался кусок проволоки длиной около 0,3 м. Повторяя движения несколько раз, волочильщик протягивал весь отрезок проволоки. Таким же образом проволока пропускалась через меньшие отверстия, пока не доводилась до требуемого размера.

В 1435 г. приспособления с качающимся сиденьем применялись в Ковентри (Англия) для перетяжки грубой проволоки, полученной с рычажно-клещевого станка, в проволоку средней толщины.

Мастер, работающий на приспособлении с качающимся сиденьем, назывался «поясник», так как клещи привязывались за его пояс.

Развитие производства железной проволоки способствовало распространению новых устройств – рычажно-клещевых станков, позволивших протягивать вручную более толстые кованые заготовки.

Прогресс в технике волочения был достигнут в результате создания волочильных устройств с вращательным движением тягового устройства. Появление первых волочильных станков с вращательным движением рабочего механизма зарубежные историки относят к XIV в. и связывают их изобретение с именем Рудольфа (Германия).

Иногда в волочении применяли нарезанные из листов заготовки квадратного сечения. Станок для тонкого волочения представлял собой стол, на котором крепили две вертикальные оси с насаженными на них катушками или дисками, снабженными рукоятками. Между катушками в специальном волокодержателе помещалась волочильная доска. В процессе работы проволока, проходя через самое большое волочильное отверстие доски, утончалась и наматывалась на первую катушку. После протяжки через первое волочильное отверстие она пропускалась через следующее отверстие, наматываясь на вторую катушку. Процесс волочения продолжался до тех пор, пока не получали проволоку заданного размера.

Первый существенный технический прорыв в волочении проволоки произошел в Германии в 1390 году, когда энергия движущейся воды была использована для осуществления качельного способа волочения. Клещи (зажим) приводились в движение воротом (эксцентриком) на оси рабочего колеса. В это время использовались простые устройства с вращаемым водой рабочим колесом. Этот опыт оказался настолько успешным, что многие водяные мельницы в период того времени были превращены в установки для волочения проволоки. Для облегчения ручного труда и повышения производительности были приспособлены разнообразные вспомогательные средства – приемники-отдатчики, барабаны, катушки и т.п. Хотя можно предположить, что при изготовлении проволоки использовались смазывающие средства, об этом ничего не было известно приблизительно до 1650 года, когда появилось сообщение о применении смазки из местечка вблизи Дюссельдорфа (Германия). Было обнаружено, что человеческая моча уменьшает трение при волочении проволоки настолько эффективно, что ее применение дает возможность легко изготавливать твердую стальную проволоку. Было установлено, что несвежее пиво также является хорошей смазкой, уменьшающей трение.

Механизмы, приводимые в действие паром, внедрялись в практику медленно и постепенно. Первые многобарабанные станы, предложенные в начале XIX века, имели 2 – 4 барабана, а приводной вал вращался гидравлическим двигателем.

В США производство проволоки началось только после Американской революции, когда оказалось невозможным получать проволоку из Англии. К 1834 году в США работали только три предприятия с годовым объемом производства 15 тонн. В XIX веке потребность в проволоке существенно возросла. После изобретения в 1820 году телеграфа потребовалось большое количество медных проводов для передачи сигналов по линиям телеграфной связи. В 1862 году в Англии построили первый многоклетьевой прокатный стан для непрерывной прокатки стальной проволочной заготовки. Использование такой заготовки для волочения снизило количество переходов волочения, время на заправку и повысило производительность процесса. Первые цепные волочильные станы были созданы в начале XIX века. Движение цепей этих станов осуществлялось от приводного шкива, соединенного с паровым двигателем. Изобретение телефона в 1876 году стало еще одной причиной рывка в развитии производства проводов. В ранних телеграфных и телефонных линиях использовались железные провода. Затем медь вытеснила железо, поскольку обеспечивала существенное увеличение электропроводности, но только провода из меди, изготовленные волочением с наклепом, могли быть подвешены между столбами без провисания или обрывов. В это время полностью отожженная медь имела недостаточную прочность на разрыв для использования таким образом. Последующая разработка проводов в виде витой пары не только обеспечила уменьшение помех и потерь в линии, но и привела к удвоению необходимого количества меди. Об изготовлении волочильных досок до начала XIX века мало что известно. Большая часть этих приспособлений изготавливалась из железа литьем. Фактически железные волочильные доски, использовались еще и в начале XX века. Отверстия в них имели такую же форму и размеры, как и в современных волочильных фильерах. В США приблизительно в 1870 г. начали в промышленных масштабах применять фильеры с алмазами. Джон Рэблинг стал в США национальной знаменитостью благодаря полученным им многочисленным патентам на свои изобретения, разработку стальных канатов и строительство многих подвесных мостов, включая Бруклинский. В те времена хорошему качеству поверхности уделялось гораздо меньше внимания, чем в современном производстве проволоки. В 1908 году в США проводят лабораторные испытания установки по волочению проволоки из вольфрама. В 1928 фильеры из карбида начали применяться в США для волочения, а в 1930 была основана Ассоциация производителей проводов.

В России бурное развитие волочильного производства приходится на 30-е годы ХХ века. Позднее были созданы новые высокомеханизированные станы для прокатки катанки, разработаны и внедрены в промышленность установки совмещенного литья и прокатки медной и алюминиевой катанки, а также установки для вытягивания проволочной заготовки из расплава, применение которых значительно сокращает длительность технологического цикла, повышает производительность и уменьшает отходы металла. В настоящее время волочением изготавливают проволоку практически из всех цветных металлов и сплавов, включая труднодеформируемые металлы и сплавы. Разработаны новые материалы для изготовления волочильного инструмента и процессы его обработки. Созданы установки для электроэрозионной, ультразвуковой, лазерной разделки и доводки канала волоки. Большие достижения достигнуты и в трубоволочильном производстве.

Добавить совмещенные способы и т д

 

В целом успешное развитие прокатного, прессового и волочильного производств в нашей стране стало возможным только на основе обширных теоретических исследований, таких российских ученых как И.А. Тиме, Н.С. Верещагин, А.Ф. Головин, И.М. Павлов, С.И. Губкин, В.С. Смирнов, И.Я. Тарновский, А.И. Целиков, П.И. Полухин, А.А. Королев, Б.П. Бахтинов, М.З. Ерманок, В.З. Жилкин, В.Л. Колмогоров, И.Л. Перлин, В.П. Северденко, В.Н. Щерба, А.В. Зиновьев, В.А. Трусов, В.К. Смирнов, В.А. Шилов и др.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. На каком металле впервые были освоены приемы холодной ковки?

2. Из какого металла впервые научились вытягивать проволоку?

3. Перечислите традиционные способы обработки металлов давлением?

4. Назовите этапы обработки цветных металлов в царской России.

5. Поясните как развивалась техника кузнечно – штамповочного и прессового производств. (Рука, вода и пар в истории механической обработки)?

6. Когда и где был построен первый в России специализированный завод по обработке цветных металлов?

7. Какую энергию для ковки металла стали применять после использования молота с рукояткой?

8. Кто является основоположником металлургии и металлообработки как науки в России?

9. Какой способ обработки металлов давлением в истории развития цивилизации был первым?

10. Кто и в каком году изобрел прокатный стан?