Раздел V. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении 1 страница

Способы обработки металлов давлением по производственному назначению разделяют на два вида:

· металлургические, предназначенные для получения заготовок постоянного поперечного сечения (прутков, проволоки, листов и др.), применяемых для последующего изготовления из них деталей с помощью предварительного пластического формоизменения и обработки резанием; основными металлургическими способами обработки давлением являются прокатка, волочение и прессование;

· машиностроительные, предназначенные для получения деталей или заготовок, имеющих форму и размеры, приближенные к форме и размерам деталей; основными способами получения деталей заготовок в машиностроении являются ковка и штамповка.

10. Горячая и холодная обработка металлов давлением.

Прокатка

10.1. Горячая и холодная обработка металлов давлением

Холодной называют деформацию,осуществляющуюся при температуре ниже температуры рекристаллизации. Если обработка давлением ведется выше температуры рекристаллизации и не сопровождается поверхностным упрочнением, то такая обработка называется горячей.

Для металлов обычной технической чистоты отношение абсолютной температуры рекристаллизации к абсолютной температуре плавления (т. е. гомологическая температура) равно 0,2–0,4:

.

Для сплавов, особенно для жаропрочных сплавов, рекристаллизация соответствует более высоким гомологическим температурам, которые в некоторых случаях достигают 0,8.

В условиях деформирования, характерных для невысокой температуры и постоянной невысокой скорости деформации, зависимость интенсивности напряжений от интенсивности деформаций принято аппроксимировать функцией степенного вида:

.                                         (10.1)

Холодная обработка давлением обеспечивает получение деталей с чистыми поверхностями и точными размерами, а также с повышенными механическими свойствами в сравнении со свойствами исходного материала. Она применяется для получения небольших деталей, иногда в сочетании с предварительным нагревом до температуры ниже температуры рекристаллизации.

При горячей обработке давлением сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Влияние температуры на предел прочности стали 45

 

При повышенных температурах влияние скорости деформации усиливается. При относительно небольших изменениях скорости деформации ее влияние на предел текучести, как правило, несущественно. Различные технологические способы механической обработки материалов могут весьма значительно отличаться уровнями скорости деформации. Так, при горячей прокатке скорости деформации могут изменяться от 0,1 с^–1 для блюмингов и слябингов до 1000 с^–1 для проволочных станов горячей прокатки. В этих случаях влияние скорости деформации и температуры необходимо учитывать (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Влияние скорости деформации и температуры
на предел прочности стали 45 при относительном удлинении d = 20 %

Отношение пределов текучести при повышенной скорости деформации и при скорости деформации, соответствующей стандартным условиям испытаний, называют коэффициентом динамичности К_ε.

Для крупных заготовок необходимо учитывать также и масштабный фактор (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Влияние диаметра заготовки на коэффициент j,
учитывающий влияние масштабного фактора на предел текучести

 

Уравнения, связывающие предел текучести деформируемого материала с факторами, характеризующими условия деформирования, иногда называют определяющими уравнениями.

Примером такого обобщенного определяющего уравнения может служить функция вида

где D Т ¢ = Т – Т₀ – приращение гомологической температуры.

 

10.2. Нагрев заготовок перед обработкой давлением

Металл нагревают перед обработкой давлением в нагревательных печах или в электронагревательных устройствах.

Простейшим нагревательным устройством является кузнечный горн, в котором металл непосредственно соприкасается с горящим топливом. Его используют для нагрева небольших заготовок при ручной ковке.

Для нагрева под прокатку на обжимных станах (блюмингах или слябингах) стальные слитки помещаются в печь с верхней загрузкой и выгрузкой – нагревательные колодцы (или колодезные печи). В качестве топлива в нагревательных колодцах обычно применяют доменный или природный газ.

Пламенные печи, применяющиеся в машиностроении, работают на жидком и газообразном топливе. Различают пламенные печи с периодической или с непрерывной загрузкой заготовок. Печи с периодической загрузкой заготовок называют камерными (рис. 10.4).

 

 

Рис. 10.4. Камерная нагревательная печь:

1 – под печи; 2 – заготовки; 3 – горелки; 4 – окно для загрузки и выгрузки заготовок;

5 – дымоход

 

В них заготовки 2 загружают и разгружают через одно и то же окно 4, в процессе нагрева они остаются неподвижными, а температура в конкретный момент времени во всей зоне нагрева одинакова.

Рабочее пространство камерной печи нагревается путем передачи тепла конвекцией и излучением из окружающего пространства нагревательной камеры до необходимой и контролируемой температуры сжиганием газообразного или жидкого топлива (мазута).

Для нагрева металла используется только часть теплоты, образующейся при сгорании топлива. Большая часть теплоты (до 60 %) теряется с отходящими газами, имеющими высокую температуру (1000–1200 °С) при выходе из печи. Эта теплота может быть использована для подогрева воздуха, газа и мазута, которые подаются к нагревательной печи. Для этого печи оборудуются специальными теплообменными аппаратами – рекуператорами.

Нагрев заготовок в нагревательных печах происходит медленнее, чем в электронагревательных устройствах. Этот способ менее производителен, экологически менее чист, однако он с большей надежностью позволяет избежать перегрева и пережога. Это связано с тем, что внутри рабочего пространства печи устанавливается требуемая максимальная контролируемая и регулируемая температура, которая не может быть превышена.

Расход топлива для камерных печей составляет 10–30 % массы нагреваемого металла.

Камерная печь удобна для нагрева сравнительно небольших партий заготовок. Постоянная и равномерная регулируемая температура в печи позволяет нагревать заготовки до высокой температуры (1200 °С), не опасаясь превышения этой температуры и наступления перегрева или пережога.

Одним из недостатков камерных печей является низкий коэффициент полезного действия, составляющий для печей без рекуператоров всего 10–15 %, а с рекуператорами 20–30 %.

 

Рис. 10. 5. Схема методической печи:

1 – окно загрузки; 2 – заготовки; 3 – газовые форсунки;
4 – под печи; 5 – окно выгрузки; 6 – толкатель

 

В печах с непрерывной загрузкой, называемых методическими (рис. 10.5), заготовки в процессе нагрева передвигаются от окна загрузки 1 к окну выгрузки 5. Температура рабочего пространства в таких печах повышается от места загрузки к месту выгрузки заготовок. Это обеспечивает более равномерный нагрев и позволяет снизить расход топлива до 5–12 % от массы нагреваемого металла.

КПД методических печей без рекуператоров составляет 15–30 %, с рекуператорами 35–45 %.

Количество тепла Q, поступившего через торец стержня площадью F при его нагреве в печи с температурой Т_С,вычислим по формуле

.                             (10.2)

Общее количество теплоты, которое должно быть сообщено заготовке, равно:

.                                 (10.3)

Приравнивая количество тепла Q требуемому Q ^*, найдем время нагрева (рис. 10.6).

а)
б)

Рис. 10. 6. К оценке времени нагрева заготовок из стали 45
размерами 0,1·0,1·0,1 м (7,8 кг) (а) и 1·1·1 м (7,8 т) (б) до температуры 1200 °С

 

Если для нагрева заготовки под штамповку весом 7,8 кг до температуры 1200 °С потребовалось около 5 минут, то для нагрева слитка весом 7,8 т, предназначенного для обжима на блюминге, – 8,5 часа.

В электронагревательных устройствах теплота выделяется в самой заготовке: либо в контактных устройствах, при пропускании через нее тока, либо в индукционных устройствах, при возбуждении в ней вихревых токов. Для нагрева перед обработкой давлением заготовки 1 пропускают через многовитковый индуктор 2 (рис. 10.7, а). Заготовки перемещают внутри индуктора со скоростью v.

 

а)

б)

Рис. 10. 7. Схемы электронагревательных устройств:

а – индукционного, б – контактного;
1 – заготовки; 2 – многовитковый индуктор; 3 – медные контакты

 

Задача определения температуры в круглой движущейся заготовке – осесимметричная. Однако ее можно привести к ранее рассмотренной задаче о температуре в полуплоскости от равномерно распределенного быстродвижущегося источника тепла.

,                                     (10.4)

где IU – электрическая мощность индуктора; h – КПД; D – диаметр заготовок;
l – длина индуктора (вдоль скорости движения заготовок).

Для нагрева заготовок до заданной температуры (Т_с – Т₀) должны быть выполнены следующие условия:

  .                        (10.5)

При электроконтактном нагреве (рис. 10.7, б) концы заготовки 1 зажимают между медными контактами 3, к которым подводится большой ток I.

Электронагрев обладает целым рядом преимуществ: более высокой производительностью нагрева, почти полным отсутствием окалины, удобством автоматизации. Теплота выделяется не только на поверхности заготовки, но и в глубине ее.

При индукционном нагреве толщина слоя, в котором происходит выделение теплоты, зависит от частоты тока. Поэтому с увеличением диаметра нагреваемых заготовок частоту тока уменьшают (от 8 000 Гц для заготовок малых диаметров до 50 Гц для заготовок диаметром 180 мм). Однако при применении электрических методов нагрева труднее регулировать заданную температуру заготовок, в связи с чем необходимо тщательно согласовывать применяемые мощности нагревателей и время нагрева (скорости перемещения заготовок).

Рациональные температуры нагрева различных материалов определяются на основании опытных или теоретических данных с учетом диаграмм состояния сплавов.

Пережог металла может произойти при температурах, близких к температуре плавления. Он проявляется в окислении границ между зернами и появлении хрупкой пленки, вызывающей потерю пластичности. Пережог не подлежит исправлению, такой металл отправляется в переплавку.

Перегрев металла происходит при несколько более низких температурах, чем пережог. Перегрев проявляется в чрезмерном росте размеров аустенитных зерен при первичной кристаллизации и, как следствие, в крупнозернистой вторичной кристаллизации (феррит и перлит или перлит и цементит). Это приводит к снижению механических характеристик. Последствия перегрева в большинстве случаев удается устранить с помощью термообработки, однако это сопряжено со значительными трудностями и дополнительными затратами.

При большом времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, в результате чего образуется окалина – слой, состоящий из оксидов железа: Fe ₂ О₃, Fe ₃ O ₄, FeO. Кроме того, происходит обезуглероживание поверхностного слоя металла. Толщина обезуглероженного слоя в отдельных случаях достигает 1,5–2 мм. Для уменьшения окисления заготовки нагрев следует производить в нейтральной или восстановительной атмосфере.

 

10.3. Прокатка: схемы процесса, продукция, оборудование

и инструмент

Прокатка представляет собой механическую обработку металлов путем обжатия между вращающимися валками прокатного стана с целью уменьшения сечения прокатываемого слитка или заготовки и придания им заданной формы (профиля).

Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. По расположению валков различают прокатку продольную, поперечную или винтовую (рис. 10.8).

При поперечной прокатке металлу придаётся вращательное движение относительно его оси и, следовательно, он обрабатывается в поперечном направлении. При винтовой прокатке вследствие косого расположения валков металлу кроме вращательного придаётся ещё поступательное движение в направлении его оси.

Наиболее распространенным в практике является процесс продольной прокатки металла между двумя принудительно вращающимися валками (рис. 10.8, а).

 

Рис. 10. 8. Схемы продольной (а), поперечной (б) и винтовой (в) прокатки:
1 – заготовка; 2, 3 – валки

 

Основная часть проката (заготовка, сортовой и листовой металл, трубы, шары и т. д.) производится горячей прокаткой. Холодная прокатка применяется главным образом для производства листов и ленты толщиной менее 6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб.

Все типы машиностроительных профилей, получаемых прокаткой, можно разделить на пять групп: сортовые профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, тавр и т. д.); листовой металл; трубы; специальные виды проката (колеса, шары, бандажи и др.); профили, имеющие периодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки (рис. 10.9).

 

Рис. 10.9. Примеры профилей сортового проката

 

Прокатка металла осуществляется с помощью системы машин и агрегатов, называемой прокатным станом (рис. 10.10).

Рис. 10. 10. Схема устройства прокатного стана:

1 – электродвигатель; 2 – упругая муфта; 3 – редуктор; 4 – главная муфта;

5 – шестеренная клеть; 6 – шпиндели; 7 – рабочие валки

 

Основной частью прокатного стана является рабочая клеть. В подшипниках станины рабочей клети вращаются рабочие валки 7. Подшипники верхнего валка могут перемещаться специальным нажимным устройством для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения их осей. Вращение валкам передается от электродвигателя 1 через упругую муфту 2, редуктор 3, главную муфту 4, шестеренную клеть 5 и шпиндели 6. Для соединения шпинделей с прокатными валками рабочей клети и валами шестеренной клети служат соединительные трефовые муфты.

По назначению прокатные станы подразделяют на 5 типов: 1) обжимные и заготовочные (блюминги, слябинги, заготовочные сортовые, трубозаготовочные); 2) сортовые (рельсобалочные, крупно-, средне- и мелкосортовые, проволочные); 3) листовые; 4) трубопрокатные; 5) специальные.

Блюминг – это высокопроизводительный прокатный стан для обжатия стальных заготовок большого сечения массой от 1 до 12 т в стальные заготовки квадратного сечения со стороной свыше 140 мм, предназначенные для дальнейшей прокатки. Производительность блюмингов – около 2 млн т в год или около 400 т/час.

Стальные заготовки прямоугольного сечения шириной от 400 до 2500 мм и толщиной от 75 до 600 мм, предназначенные для последующего листового проката, называют слябами, а прокатные станы для переработки крупных стальных слитков в слябы – слябингами.

Инструментом для прокатки являются валки (рис. 10.11).

 

Рис. 10. 11. Прокатные валки: а – гладкий валок для листа; б – ручьевой валок
для сортового проката; 1 – бочка; 2 – шейки; 3 – трефы

 

Прокатный валок имеет рабочую часть 1, называемую бочкой, шейки 2, опирающиеся на подшипники станины клети, и трефы 3 для передачи крутящего момента. Бочка валка может быть гладкой (рис. 10.11, а) (для прокатки листов) или ручьевой (рис. 10.11, б) (для получения сортового проката).

Ручьем называют кольцевой вырез на боковой поверхности валка. Ручьи верхнего и нижнего валка образуют калибры (рис. 10.11, б). Калибр называют открытым, если линия раздела проходит по оси симметрии, параллельной оси валков, и закрытым, если линия раздела является ломаной и смещенной на одну из границ калибра.

Кроме рабочих валков, непосредственно осуществляющих деформацию металла, в прокатных станах часто используются также опорные валки. Это позволяет применять рабочие валки меньшего диаметра, благодаря чему снижается усилие деформирования.

 

Деформации при прокатке

При продольной прокатке одновременно пластической деформации подвергается только та часть металла, которая находится в очаге деформации (рис. 10.12).

Отношение длин заготовки после и до деформации (или отношение площадей поперечного сечения до и после деформации) называют вытяжкой:

.                                                  (10.6)

Вытяжка обычно составляет около 1,1–1,6 за 1 проход, но иногда и больше.

 

Рис. 10. 12. Схема деформации прямоугольной координатной сетки в плоскости xz
при прохождении металла через очаг деформации АВВ₁А₁ при продольной прокатке

В качестве характеристик линейной деформации применяют:

относительное обжатие ,

относительное удлинение ,

и относительное уширение .

При прокатке широких полос прямоугольного сечения уширение незначительно . В этом случае деформация может считаться плоской. При этом относительное удлинение и относительное обжатие равны друг другу по величине и противоположны по знаку.

Относительное обжатие обычно измеряют в процентах. За 1 проход оно обычно составляет 10–60 %, а иногда и больше (до 90 %).

Условие неизменности объема при пластической деформации имеет вид

.                            (10.7)

При вычислении работы и сил деформирования используют истинные (логарифмические) деформации:

.                                            (10.8)

Кроме линейных деформаций при прокатке имеют место и сдвиговые деформации:

Определение сдвиговых компонентов тензора деформации может быть осуществлено путем анализа искажения в процессе прокатки координатных сеток, нанесенных на поверхности деформируемых заготовок (рис. 10.13).

 

Рис. 10. 13. Схематизация деформации при прокатке:

а ‒ линейные деформации; б ‒ деформации неоднородного сдвига

Аппроксимируя искаженные линии координатной сетки параболами типа

,                                       (10.9)

запишем для перемещения :

.                                    (10.10)

Вычислим компоненты неоднородного сдвига:

                           (10.11)

Пренебрегая уширением, запишем тензор деформации в виде

.                        (10.12)

Вычислим интенсивность деформации:

(10.13)

=

.

Для вычисления работы деформации используют средние значения интенсивности деформации по сечению:

.                                     (10.14)

В рассматриваемом примере прокатки широкой полосы прямоугольного сечения

.                      (10.15)

Среднюю интенсивность деформаций  можно представить в виде:

.       (10.16)

При отсутствии сведений об искажении координатной сетки, а также для упрощения на практике зачастую для оценки деформации ограничиваются вычислением истинного обжатия, вводя эмпирические коэффициенты К, учитывающие сдвиги:

 где K = 1,15.

В частности, при  (например, при ) 0,4 и .

Используя относительное обжатие, оценивают скорость деформации при прокатке:

,                                      (10.17)

где  скорость выхода металла из валков, м/с; L – горизонтальная проекция дуги захвата, м:

                                          (10.18)

где D – диаметр рабочего валка; a – угол захвата.

При прокатке в зависимости от условий деформирования скорости деформации могут изменяться в широких пределах: от 0,1 до 1000 с^–1.

 

10.5. Мощность и усилия деформирования при прокатке

Условие захвата металла валками. Для осуществления захвата металла валками необходимо, чтобы проекция  равнодействующей силы R на ось х была направлена в сторону движения заготовки. Для этого необходимо, чтобы тангенс угла захвата был меньше отношения коэффициента трения m:

                                    (10.19)

Если угол захвата a существенно меньше угла трения, то увеличивается число необходимых проходов, ухудшаются экономические показатели. В связи с этим равнодействующая сил должна быть направлена близко к плоскости, проходящей через оси валков, т. е. почти вертикально (рис. 10.14).

 

Рис. 10. 14. Схема сил, характеризующая условие захвата заготовки

при продольной прокатке

 

По производственным данным, максимальный допускаемый угол захвата при прокатке блюмов и сортового металла в калибрах может достигать 30–32°, при горячей прокатке листов на гладких валках – 20–24°, при холодной прокатке тонких листов – 3–6°. Стационарный процесс прокатки можно осуществлять при угле захвата примерно вдвое больше, чем при начальных условиях.

Улучшение условий захвата при прокатке обеспечивается: наплавкой сварных валиков для повышения коэффициента трения – при черновых обжимных операциях прокатки; применением слитков пирамидальной формы (в виде клина) – для уменьшения углов захвата в начальный момент прокатки; увеличением диаметра валков.

Удельная работа деформации определяется фактическими значениями предела текучести деформируемого металла и величиной средней интенсивности деформации:

.                            (10.20)

На фактический предел текучести σ_Т при горячей прокатке оказывают влияние температура и скорость деформации. Так, при изменении скорости деформации углеродистой стали при температуре 1000 °С от 0,1 до 150 1/с предел текучести деформируемого металла возрастает от 55 до 170 МПа, т. е. примерно в 3 раза.

Для углеродистых сталей при горячей прокатке предел текучести – 100–300 МПа, при холодной прокатке – 800–1500 МПа.

При допущениях о постоянстве предела текучести удельная работа деформации может быть вычислена как произведение средних значений предела текучести и интенсивности деформации.

Зная удельную работу деформации, легко определить эффективную мощность прокатки:

.                                        (10.21)

Равнодействующие усилия на валки при наиболее распространённых условиях прокатки направлены почти параллельно линии, соединяющей оси валков, т. е. вертикально (рис. 10.15).

 

Рис. 10. 15. Схема сил, действующих на валки при прокатке

 

Сила трения F, условно приложенная в середине дуги контакта, может быть определена по формуле

                                    (10.22)

Соответственно равнодействующая сила Р, действующая на валок, будет равна:

                                            (10.23)

Усилие на валок при прокатке стальной проволоки, узких стальных полос составляет около 200–1000 кН, а при прокатке листов шириной 2–2,5 м доходит до 30–60 Мн. Момент, необходимый для вращения обоих валков при прокатке стальной проволоки и мелких сортовых профилей, составляет 40–80кНм, а при прокатке слябов и широких листов достигает 6000–9000 кНм.