Обработка давлением Глава 4. Введение. Обработка давлением один из основных способов получе­ния заготовок и деталей в приборостроении. Широкое применение заготовок и деталей, полученных обработкой давлением, объясняется прежде всего их малой стоимостью, большой производительностью изготовления, малой материалоемкостью, высокой точностью и вы­соким качеством поверхности. При обработке давлением происходит частичное или полное изменение формы заготовки за счет перераспределения объема под действием внешних сил. К этому виду обработки относят горячую и холодную ковку, листовую и объемную штамповку, прокатку, волоче­ние, ротационное выдавливание, штамповку взрывом взрывчатых ве­ществ и газовых смесей, импульсным магнитным полем, электрогидравлическую, эластичными рабочимии средами и др. - десятки раз­личных операций. * В основе физической сущности различных видов обработки дав­лением лежат общие закономерности, на основании которых возмож­но управление физическими свойствами деталей и процессом формо­образования. 4.1. Физические основы обработки давлением Строение деформируемого металла. Все применяемые в промыш­ленности металлы и сплавы имеют поликристаллическое строение, то-есть состоят из множества произвольно ориентированных в объеме кристаллов. В некоторых случаях кристаллы имеют преобладающую ориентацию, обусловленную технологией производства. Расположе­ние атомов в' кристалле определяется условиями кристаллизации. Пластическая деформация. Под действием внешних сил расстоя­ние между атомами меняется и при переносе атомов в новые поло­жения устойчивого равновесия изменяется форма заготовки - возникает пластическая деформация. Пластическое деформирование про­исходит за счет двух механизмов: скольжения и двойникования. Скольжение представляет собой параллельное смещение тонких слоев кристалла относительно смежных (рис.1). Обычно плоскостями скольжения являются плоскости наибольшей упаковки атомов. Пере­сечение плоскостей скольжения с поверхностью кристалла называют полосой скольжения. Скольжение начинается в одном или нескольких участках плоско­сти скольжения и затем распространяется на всю поверхность. При сдвиге атомов одного слоя относительно другого величина необходимого касательного напряжения равна τmax=(b/a)*(G/2п) где (a , b - расстояние между атомами соответственно в вер­тикальном и горизонтальном направлении, G - модуль сдвига (кГ/мм2) MПa Из формулы следует, что сопротивление сдвигу на несколько порядков больше действительных значений. Эти расхождения объяс­няются наличием дислокаций. Дислокации - это искажение кристаллической решетки (рис.2 ), причинами которых являются: наличие примесей, отсутствие в узлах решетки атомов, излишние атомы, граница зерна между деформиро­ванной и недеформированной частью в плоскости скольжения. Иска­жения в реальных кристаллах ослабляют межатомные связи; это и уменьшает прочность металлов во много раз. Двойникование - это механизм пластической деформации, приводящий к симметричному изменению ориентировки одной части кристалла относительно другой (рис.3). Иногда плестическая деформация сопровождается при двойниковании увеличением объема (например у Fe на 50%). Пластическая деформация поликристалла. У поликристалла плоскости скольжения в отдельных зернах ориентированы не одинаково. И при приложении внешних сил деформация в зернах будет происходить не одновременно; сначала в зернах с наиболее благоприятной ориенти­ровкой по отношению к действующему напряжению, а затем во всех остальных, когда величина напряжения и для их положения достига­ет максимального значения. В результате скольжения в поликристаллическом теле на поверхности появляются линии скольжения (рис.4) След скольжения ухудшает внешний вид деталей. При дальнейшем увеличении степени деформации вся поверхность тела покрывается линиями скольжения и поэтому их следов нельзя заметить. Дальнейшее увеличение степени деформации приводит к вытянутости зерна в направлении течения и повороту кристаллографических осей зерен. При некоторой (значительной) деформации разница в направлениях кристаллографических осей уменьшается: возникает преимущественная ориентировка осей поликристалла, которую назы­вают текстурой. Возникновение текстуры ведет к анизотропии всех свойств тела. Анизотропия механических свойств отрицательно ска­зывается на качестве, расходе металла, трудоемкости изготовления изделия. Влияние холодной пластической деформации на физико-механические свойства. При пластическом деформировании тела с увеличением де­формации: а) изменяются механические характеристики - увеличивается предел упругости, текучести, прочности, твердость; уменьшается - относительное удлинение (рис. 5), сужение, ударная вязкость , б) изменяются физические характеристики - увеличивается электрическое сопротивление (у вольфрамовой проволоки на 30-50%), коэрцитивная сила и гистерезис, уменьшается - магнитная проница­емость, магнитная восприимчивость, магнитное насыщение и остаточный магнетизм, уменьшается теплопроводность, сопротивление коррозии. Упрочнение. Совокупность всех явлений, связанных с изменением механических и физико-химических свойств материалов называется упрочнением (пакленом). С увеличением деформации сопротивление деформированию увели­чивается по сравнению с начальным в два и более раза (рис . 5) . Степень деформации. Показателем степени деформации в обработке давлением наиболее часто принимается относительная и логарифми­ческая деформация. Наиболее распространено использование относи­тельных деформаций, например, для растяжения: д=(l-lo)/lo где lo и l - начальная и конечная длина образца при растяжении. Деформирование при повышенных температурах. С целью уменьшения деформирующего усилия и повышения пластичности обрабатываемый металл нагревают. При повышении температуры деформируемого ме­талла в нем возникают процессы противоположные упрочнению - воз­врат и рекристаллизация. При нагреве до температуры (0,25-0,30)К° абсолютной темпе­ратуры плавления металла амплитуда колебания атомов при деформи­ровании настолько увеличивается, что они могут занимать новые положения устойчивого равновесия. Это явление называют возвратом. Возврат приводит к некоторому уменьшению сопротивления деформиро­ванию, однако не влияет на величину, форму и размеры зерна. По­этому возврат не препятствует образованию текстуры. С увеличени­ем температуры скорость возврата увеличивается, увеличение ско­рости деформирования может уменьшить скорость возврата. Возврат происходит также и 'при нагреве ранее холоднодеформированного металла. При температуре 0,4К° и более в металле протекает процесс рекристаллизации. Рекристаллизация заключается в появлении заро­дышей, возникновении и росте новых зерен взамен деформированных. Возможность рекристаллизации обусловливается при увеличении тем­пературы повышением энергетического баланса атомов, при котором атомы получают возможность перегруппировок и интенсивного обмена местами. При рекристаллизации получают равноосные зерна; величи­на образовавшихся зерен зависит от температуры, степени деформа­ции и скорости деформации (рис. 6 ). Процессу рекристаллизации можно подвергать холоднодеформированные металлы. Влияние горячей пластической деформации на свойства металла. Заготовки с литой структурой обычно подвергают горячей обработке давлением. Литая структура характеризуется крупными кристаллами первичной кристаллизации, по границам которых располагаются про­слойки, обогащенные примесями и неметаллическими включениями. Деформирование литой структуры приводит к дроблению кристал­литов и вытягиванию их в направлении наиболее интенсивного тече­ния металла. Одновременно происходит и вытягивание в том же направлении межкристаллитных прослоек, содержащих неметалличес­кие включения. При достаточно большой степени деформации неметал­лические включения принимают форму прядей вытянутых в направле­нии интенсивного течения металла, образуя полосчатость макрост­руктуры (полосчатости микроструктуры при этом нет). Полосчатость макроструктуры приводит к анизотропии металла. Показатели пластичности (предел текучести и удлинение) вдоль и поперек волокон значительно отличаются, причем разница их значе­ний возрастает с увеличением степени деформации. Прочностные характеристики металла вдоль и поперек волокон отличаются незна­чительно, а увеличение степени деформации на их величине практически не сказывается. При горячей обработке металлов давлением стремятся вести процесс деформирования таким образом, чтобы волокна макрострук­туры были расположены в направлениях наибольших нормальных напря­жений в условиях работы детали. Виды деформаций. В зависимости от возможности протекания в метал­ле при деформации процессов упрочнения или разупрочнения разли­чают несколько видов деформации. Горячая деформация - деформация, при которой происходит пол­ная рекристаллизация деформируемого металла. Холодная деформация - деформация при которой отсутствуют возврат и рекристаллизация. Различают и промежуточные виды деформаций: неполная горячая деформация - деформация, при которой рекристаллизация проходит не полностью; неполная холодная деформация - деформация, при ко­торой происходит только возврат. Основные закономерности пластической деформации 1. Закон постоянства объема: объем металла при его пластиче­ском деформировании остается неизменным. 2. Закон наличия упругой деформации при пластическом деформи­ровании. При любом пластическом деформировании общая деформация складывается из упругой и остаточной 3. Закон остаточных напряжений. При обработке давлением одно­родная пластическая деформация практически не имеет места, хотя при решении она принимается равномерной. Неоднородность деформа­ций обусловлена контактным трением, неравномерным распределением температур, неоднородностью химического состава и механических свойств, формой деформируемого тела и деформирующего инструмента. При неравномерной деформации отдельные зерна деформируются по-разному. Однако благодаря связи между собой они не могут самостоятельно изменять размеры. В результате взаимного влияния воз­никают напряжения со стороны более деформированных участков, ко­торые будут увеличивать деформацию менее деформированных участков и наоборот. Эти напряжения называются дополнительными. Дополни­тельные напряжения бывают трех видов: напряжения первого рода - напряжения, уравновеши­вающиеся между отдельными частями тела, напряжения второго рода - напряжения уравновешивающиеся между отдельными зернами, напряжения третьего рода - напряжения уравновешивающиеся между отдельными элементами зерна. После снятия деформирующего усилия дополнительные напряжения остаются в металла; в этом случае их называют остаточными, их характеристика аналогична характеристике дополнительных напряже­ний. Остаточные напряжения можно полностью или частично снять при нагреве металла: при температуре возврата снимают остаточные напряжения первого рода, при температурах выше температуры воз­врата и ниже температуры рекристаллизации снимают остаточные напряжения второго и первого родов* при температуре рекристалли­зации снимают остаточные напряжения третьего, второго и первого родов. Механическим путем можно уменьшить статочные напряжения 1-го рода за счет равномерного деформирования. 4.2. Основные операции обработки давлением Операции обработки давлением классифицируют в зависимости от используемого инструмента, оборудования, температуры обраба­тываемого металла и других признаков. В зависимости от применяемого инструмента, деформирующего металл, различают: 1) штамповую обработку, 2) бесштамповую обработку. При штамповой обработке на машине используют специальный инструмент - штамп (отсюда и происходит название). С помощью штампа можно получать изделия одинаковых размеров. При бесштамповой обработке на машине используют универсальный деформирующий инструмент, позволяющий получать различные размеры изделий одинаковой формы (круглый, квадратный, прямоугольный пруток, лист, ленту). К операциям штамповой обработки относят: 1) операции холодной листовой штамповки, 2) операции холодной объемной штамповки, 3) операции горячей (листовой и объемной) штамповки. При операциях листовой штамповки исходная заготовка из лис­тового металла и в процессе пластического деформирования ее тол­щина не меняется или изменяется незначительно. При операциях объемной штамповки размеры исходной заготовки значитально изменя­ются по трем направлениям. Основными операциями бесштамповой обработки являются: 1) прокатка, 2) волочение. Операции холодной листовой штамповки делятся на три основные группы: 1) разделительные, 2) формообразующие, 3) комбинированные. К разделительным операциям листовой штамповки относят: отрез­ку, разрезку, обрезку, вырезку, надрезку, просечку, вырубку, про­бивку, зачистку и калибровку и др. При разделительных операциях происходит отделение полное (отрезка, разрезка, обрезка, вырезка, вырубка, пробивка, зачист­ка, калибровка) или частичное (надрезка, просечка) металла от исходной заготовки. Результатом этих операций являются или готовые детали или заго­товки, используемые для последующей обработки. К формообразующим операциям относят: гибку, вытяжку, отбортовку, обжим, формовку и др. При формообразующих операциях исходная плоская заготовка дефор­мируется в пространственную деталь. При этом плоская заготовка или локально (гибка, отбортовка, обжим, формовка) или полностью (вытяжка) деформируется. К комбинированным операциям относят - различные комбинации одновременно выполняемых в одной или нескольких позициях штампа различных операций. Операции холодной объемной штамповки: выдавливание, высадка, чеканка и калибровка, накатка резьб и зубчатых колес и др. 4.3. Материалы, применяемые в холодной штамповке В холодной штамповке применяют разнообразные как металличес­кие, так и неметаллические материалы. Наиболее широко применяют следующие металлы и их сплавы: железо, медь, алюминий, магний, цинк, никель, титан; обрабатывают штамповкой и менее распрост­раненные металлы и их сплавы: молибден, тантал, кобальт, бериллий, цирконий, золото, серебро, платину и др. Неметаллические штампуемые материалы разделяют на две группы. К первой группе относят: бумагу, картон, прессшпан, кожу, фетр, войлок, резину и прорезиненную ткань, хлопчатобумажные и шерстя­ные ткани и другие прокладочные материалы. Ко второй группе от­носят конструкционные, электроизоляционные и теплоизоляционные материалы: 1) слоистые пластмассы - текстолит, гетинакс, стекло- текстолит, асботекстолит, фибра, древеснослоистые пластики и др., 2) блочные пластмассы - органическое стекло, целлулоид, винилласт, поливинилхлорид, полиэтилен, 3) асбестовые изделия - бумага ас­бестовая, картон асбестовый, гидроизол, паронит, асбометалличес- кое армированное полотно, 4) слюда и миканиты: слюда (мусковит, флагонит, биотит), миканиты (коллекторный, прокладочный, формовоч­ный и гибкий). Номенклатура марок материалов и сортамент (форма и размеры) установлены соответствующими Гостами. Наиболее распространенными являются различные сортаменты черных и цветных металлов в виде листов, лент, полос, круглых, квадратных и шестигранных прутков. В последние годы созданы новые листовые материалы стальные и алю­миниевые листы, покрытые цветной пластмассой толщиной 0,36 мм. Технологические свойства металла для штамповки характеризуют: механические характеристики, химический состав, структура и ве­личина зерна, анизотропия, точность размеров заготовок. Механические свойства металла характеризуют в основном: а)прочностными показателями-пределом текучести (бт , пределом проч­ности бв , б) пластическими показателями - относительным удли­нением д и относительным сужением. В зависимости от условий ра­боты назначения и технологии штамповки к штампуемому материалу предъявляют определенные механические и технологические требования. При разделительных операциях металлы с высоким преде­лом текучести дают чистый срез; для формообразующих операций (гибки, вытяжки) желателен низкий предел текучести - это способ­ствует уменьшению упругой деформации после штамповки. Особенно это важно для операций гибки, где большой объем упругодеформируемого металла. Вытяжка листового металла успешно протекает при большом относительном удлинении (δ>28%) и малом отношении предела текучести к пределу прочности - бт/бв<0,65. Выбранный материал должен также обеспечивать возможность выпол­нения последующих технологических операций отделки, сборки и т.д. Химический состав сильно влияет на механические свойства ма­териала. Для регламентирования механических характеристик к хим­составу для штампуемых сталей предъявляют жесткие требования. Структура в большой степени влияет на механические свойства материала. В сталях структурное состояние углерода (феррит, пер­лит, цементит) определяет пригодность к штамповке. Наиболее бла­гоприятна для штамповки структура феррита или структура феррита и зернистого перлита. Величина зерна и однородность его оказывают большое влияние на штампуемость. Неоднородность зерна вызывает неравномерную де­формацию объема металла и является причиной разрывов при вытяжке. Рекомендуют величину зерна 0,026-0,057 мкм, при величине зерна менее 0,018 мкм сталь хуже деформируется - при вытяжке возникают трещины и гофры, при гибко значительное пружинение. При раздели­тельных операциях качество поверхности скола определяется величи­ной зерна, при вытяжке и гибко ухудшение шероховатости тем боль­ше, чем больше величина зерна. Анизотропия увеличивает количество операций при вытяжке при гибко увеличивает минимальную величину радиуса гибки, при выруб­ке - пробивке уменьшает точность размеров. Точность размеров заготовки оказывает влияние на точность изготовления деталей. 4.4. Холодная листовая штамповка Виды заготовок. Для листовой штамповки используют заготовки в ви­де листа, полосы, ленты или профилей различного поперечного сече­ния: труба, уголок, двутавр и т.д. Раскрой материала. Раскрой материала - это способ расположения деталей (заготовок) в ленте, полосе или на листе с целью раци­онального использования исходного материала. Раскрой полосы (ленты). В зависимости от требований по точности различают три типа раскроя: а) с отходами перемычками, б) с час­тичными отходами, в) без отходов. Раскрой с отходами (рис.7a) применяют для изготовления деталей повышенной точности (8-13 квалитет), а также для деталей сложной конфигурации, раскрой с частичными отходами (рис.7б) и без отходов (рис.7в) применяют для простых по форме дета­лей низкой точности. Перемычки между деталями и краем определяют по таблицам в зависимости от толщины и конфигурации детали. Применяют по указанным схемам однорядный и многорядный раскрой. Нужную ширину полосы (ленты) получают путем резки листа (рулона) на полосы (ленты). Раскрой листа (ленты). При раскрое листа нужно стремиться к полу­чению целого числа полос, длина