Обработка металла давлением: высокоэффективные методы

Обработка металлов давлением – ОМД: разновидности и особенности технологии

ОМД, или обработка металлов давлением, возможна благодаря тому, что такие материалы отличаются высокой пластичностью. В результате пластической деформации из металлической заготовки можно получить готовое изделие, форма и размеры которого соответствуют требуемым параметрам. Обработка металла давлением, которая может выполняться по различным технологиям, активно используется для выпуска продукции, применяемой в машиностроительной, авиационной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности.

Обработка листового металла давлением на прокатном станке

Физика процесса обработки металлов давлением

Сущность обработки металлов давлением состоит в том, что их атомы такого материала при воздействии на них внешней нагрузки, величина которой превышает значение его предела упругости, могут занимать новые устойчивые положения в кристаллической решетке. Такое явление, которым сопровождается прессование металла, получило название пластической деформации. В процессе пластической деформации металла изменяются не только его механические, но и физико-химические характеристики.

В зависимости от условий, при которых происходит ОМД, она может быть холодной или горячей. Различия их состоят в следующем:

1. Горячая обработка металла выполняется при температуре, которая выше температуры его рекристаллизации.
2. Холодная обработка металлов, соответственно, осуществляется при температуре, находящейся ниже температуры, при которой они рекристаллизуются.

Ковка раскаленной заготовки на молоте – вид горячей обработки металла давлением

Виды обработки

Обрабатываемый давлением металл в зависимости от используемой технологии подвергается:

Прокатка

Прокатка – это обработка давлением заготовок из металла, в ходе которой на них воздействуют прокатные валки. Целью такой операции, для выполнения которой необходимо использование специализированного оборудования, является не только уменьшение геометрических параметров поперечного сечения металлической детали, но и придание ей требуемой конфигурации.

Виды прокатных валков

На сегодняшний день прокатку металла выполняют по трем технологиям, для практической реализации которых необходимо соответствующее оборудование.

Это прокатка, являющаяся одним из самых популярных методов обработки по данной технологии. Сущность такого способа обработки металла давлением заключается в том, что заготовка, проходящая между двумя валками, вращающимися в противоположные стороны, обжимается до толщины, соответствующей зазору между этими рабочими элементами.

По такой технологии обрабатывают давлением металлические тела вращения: шары, цилиндры и др. Выполнение обработки данного типа не предполагает, что заготовка совершает поступательное движение.

Это технология, которая представляет собой нечто промежуточное между продольной и поперечной прокаткой. С ее помощью преимущественно обрабатываются полые металлические заготовки.

Ковка

Такая технологическая операция, как ковка, относится к высокотемпературным методам обработки давлением. Перед началом ковки металлическую деталь подвергают нагреву, величина которого зависит от марки металла, из которого она изготовлена.

Обрабатывать металл ковкой можно по нескольким методикам, к которым относятся:

• ковка, выполняемая на пневматическом, гидравлическом и паровоздушном оборудовании;
• штамповка;
• ковка, выполняемая вручную.

При машинной и ручной ковке, которую часто называют свободной, деталь, находясь в зоне обработки, ничем не ограничена и может принимать любое пространственное положение.

Ручная ковка используется в кузнечных мастерских при изготовлении небольшого количества изделий

Машины и технология обработки металлов давлением по методу штамповки предполагают, что заготовка предварительно помещается в матрицу штампа, которая препятствует ее свободному перемещению. В результате деталь принимает именно ту форму, которую имеет полость матрицы штампа.

К ковке, относящейся к основным видам обработки металлов давлением, обращаются преимущественно в единичном и мелкосерийном производстве. Разогретую деталь при выполнении такой операции располагают между ударными частями молота, которые называются бойками. При этом роль подкладных инструментов могут играть:

• обычный топор:
• обжимки различных типов;
• раскатка.

Прессование

При выполнении такой технологической операции, как прессование, металл вытесняется из полости матрицы через специальное отверстие в ней. При этом усилие, которое необходимо для осуществления такого выдавливания, создается мощным прессом. Прессованию преимущественно подвергают детали, которые изготовлены из металлов, отличающихся высокой хрупкостью. Методом прессования получают изделия с полым или сплошным профилем из сплавов на основе титана, меди, алюминия и магния.

Прессование в зависимости от материала изготовления обрабатываемого изделия может выполняться в холодном или горячем состоянии. Предварительному нагреву перед прессованием не подвергают детали, которые изготовлены из пластичных металлов, таких как чистый алюминий, олово, медь и др. Соответственно, более хрупкие металлы, в химическом составе которых содержится никель, титан и др., подвергаются прессованию только после предварительного нагрева как самой заготовки, так и используемого инструмента.

Установка холодного прессования изделий из листового металла

Прессование, которое может выполняться на оборудовании со сменной матрицей, позволяет изготавливать металлические детали различной формы и размеров. Это могут быть изделия с наружными или внутренними ребрами жесткости, с постоянным или разным в различных частях детали профилем.

Волочение

Основным инструментом, при помощи которого выполняется такая технологическая операция, как волочение, является фильера, называемая также волокой. В процессе волочения круглая или фасонная металлическая заготовка протягивается через отверстие в фильере, в результате чего и формируется изделие с требуемым профилем поперечного сечения. Наиболее ярким примером использования такой технологии является процесс производства проволоки, который предполагает, что заготовка большого диаметра последовательно протягивается через целый ряд фильер, в итоге превращаясь в проволоку требуемого диаметра.

Технологические процессы получения проволоки методом волочения

Классифицируется волочение по целому ряду параметров. Так, оно может быть:

• сухим (если выполняется с применением мыльной стружки);
• мокрым (если для его выполнения используется мыльная эмульсия).

По степени чистоты формируемой поверхности волочение может быть:

Линия волочения медной проволоки

По кратности переходов волочение бывает:

• однократным, выполняемым за один проход;
• многократным, выполняемым за несколько проходов, в результате которых размеры поперечного сечения обрабатываемой заготовки уменьшается постепенно.

По температурному режиму этот вид обработки металла давлением может быть:

Объемная штамповка

Сущность такого способа обработки металла давлением, как объемная штамповка, состоит в том, что получение изделия требуемой конфигурации осуществляется при помощи штампа. Внутренняя полость, которая сформирована конструктивными элементами штампа, ограничивает течение металла в ненужном направлении.

В зависимости от конструктивного исполнения штампы могут быть открытыми и закрытыми. В открытых штампах, применение которых позволяет не придерживаться точного веса обрабатываемой заготовки, предусмотрен специальный зазор между их подвижными частями, в который может выдавливаться избыток металла. Между тем использование штампов открытого типа вынуждает специалистов заниматься удалением облоя, образующегося по контуру готового изделия в процессе его формирования.

Особенностью горячей штамповки металла является воздействие высокой температуры, вследствие чего заготовка деформируется, принимая форму штампа

Между конструктивными элементами штампов закрытого типа такой зазор отсутствует, и формирование готового изделия происходит в замкнутом пространстве. Для того чтобы обрабатывать металлическую заготовку при помощи такого штампа, ее вес и объем должны быть точно рассчитаны.

Листовая штамповка

При помощи листовой штамповки готовые изделия получают из листового металла. В зависимости от того, какого результата необходимо добиться в процессе выполнения такой технологической операции, различают штамповку:

1. разделительную (отрезка, вырубка и пробивка);
2. формообразующую (гибка, вытяжка, раздача, отбортовка, чеканка и др.).

Для выполнения листовой штамповки используют гидравлические или кривошипно-шатунные прессы, рабочими органами которых являются штампы, состоящие из матрицы и пунсона.

Примеры изделий, изготовленных методом листовой штамповки

Качество готового изделия, которое обеспечивает листовая штамповка, позволяет не подвергать его последующей механической обработке. Для того чтобы обеспечить это качество, матрица и пунсон должны быть хорошо разработаны и изготовлены с высокой степенью точности.

Листовая штамповка – это одна из наиболее распространенных методик ОМД, которая активно применяется почти во всех отраслях промышленности. По такой технологии, в частности, производят как мельчайшие детали радиоэлектронных устройств, так и массивные кузова автотранспортных средств.

Получить более полное представление о способах обработки металла давлением, позволяет видео, демонстрирующее их в мельчайших подробностях.

Обработка металлов давлением

Пластические свойства всех видов металлов с успехом позволяет использовать обработка металлов давлением.

Технология подразумевает изменение форм и размеров заготовок за счет воздействия на них внешних сил с последующим сохранением результата. После прекращения воздействия давления форма и размеры изделия не меняются.

С целью увеличения пластичности металл перед началом обработки давлением нагревают до определенной температуры. Для каждого вида материала эта температура определяется индивидуально, в зависимости от его специфических физико-химических характеристик.

По сравнению с механической обработкой или литьем рассматриваемая технология имеет безусловные преимущества. Например, она позволяет гарантировать экономное расходование сырья, что не присуще для других методик. Кроме того, обработка давлением отличается впечатляющей производительностью. Поэтому технология получила сегодня широкое распространение.

Способы обработки металлов под воздействием давления

В зависимости от того, с каким исходным сырьем приходится работать и какого результата необходимо добиться, выделяют несколько способов обработки:

Все варианты используются в современной промышленности и производстве металлических изделий. Поэтому каждому из них необходимо уделить внимание ниже.

Обработка металлов прокаткой

Данная технология обработки металлов давлением подразумевает его обжатие между двумя движущимися валками. Методом прокатки могут обрабатываться металлические листы или ленты, и в таком случае используются гладкие валки. Кроме того, технология подходит для производства деталей фасованного профиля, и тогда применяют ручьевые валки. В зависимости от наличия или отсутствия подогрева заготовки перед обработкой прокатка может быть горячей или холодной.

Прессование металлов

Прессование подразумевает, что некоторое количество металла, заключенное в специальную форму, выдавливается из нее через отверстие за счет давления. Площадь отверстия должна быть меньше площади сечения исходного материала. В процессе прессования металл принимает вид прутка, форма и характеристики которого зависят от особенностей отверстия. Технология подходит для работы со свинцом, оловом, медью, алюминием, цинком, сплавами. Она проста, но высокоэффективна.

Волочение металлов

Данный способ обработки подразумевает протягивание металлической заготовки через так называемый «волочильный глазок» – постепенно сужающееся отверстие. В результате происходит увеличение длины заготовки и уменьшение ее поперечного сечения. Рабочим инструментом волочильных станков является волока, а ее основной частью – волочильный глазок. Этот процесс может осуществляться после предварительного нагрева заготовки или без него.

Технология волочения может использоваться для:

• получения проволоки малого диаметра;
• производства фасонных профилей для изготовления направляющих, шпонок и т.д.;
• производства тонкостенных труб;
• калибровки.

Обработка металлов штамповкой

В соответствии с этой технологией обработка металлов давлением и придание им необходимых форм осуществляется в штампах, а следовательно, определяется их конфигурациями. Штамповка предназначена для серийного производства заготовок, и осуществляется она на молотах или прессах. Может производиться как с предварительным нагревом, так и без нагрева заготовок. В зависимости от требований, предъявляемых к готовым изделиям, штамповка бывает листовой или объемной.

Свободная ковка металлов

Свободная ковка плохо подходит для массового производства, но при изготовлении отдельных деталей она незаменима. Суть технологии заключается в том, что заготовку нагревают до необходимой температуры в специальной печи, а затем помещают на наковальню и придают ей требуемую форму и размеры ударами молота. Ковка может быть ручной или машинной – оба варианта востребованы сегодня на рынке.

Оборудование для обработки металлов давлением на выставке

Для обработки металлов за счет воздействия давления используется самое разнообразное оборудование. И если вы заинтересованы в том, чтобы узнать о нем как можно больше, не пропустите международную выставку «Металлоообработка» в ЦВК «Экспоцентр».

Основные способы обработки металлов давлением

Основные понятия обработки металлов давлением: сущность технологии и особенности производственного процесса. Разница между холодным и горячим методами обработки. Основные виды обработки металлов давлением.

Обработку металлов давлением активно используют в современной промышленности. Данная отрасль металлообработки основана на пластичной деформации материала под действием внешних сил. Особенностью технологии является повышение физических и механических свойств в процессе изменения формы заготовки.

Деформация может быть упругой или пластичной. В первом случае после прекращения воздействия внешних сил заготовка восстанавливает первоначальные размеры. Во втором случае изделие сохраняет полученную форму. Полное изменение формы заготовки является суммой упругой и пластинчатой деформаций.

Технология обработки металлов давлением

Сущность обработки давлением заключается в изменении первоначальной формы заготовки под действием внешних сил. Такой метод позволяет получать изделия сложной формы. Вместе с этим улучшается кристаллическая структура материала и повышаются его механические свойства.

Способы обработки металлов давлением отличаются степенью нагрева заготовки. Холодный метод характеризуется температурой, значение которой ниже порога рекристаллизации металла. В этом случае для изменения формы к заготовке необходимо прикладывать значительные усилия. Горячий вид обработки отличается высокой степенью нагрева заготовки, который превышает температуру рекристаллизации.

Холодную штамповку считают экономным технологическим процессом. Уровень отходов металла не превышает 10 %. Для горячей обработки этот показатель составляет 20–25 %. Для сравнения: при механической металлообработке заготовок уровень отходов в виде стружки может достигать 50 %.

Рассмотрим основные способы обработки металлов давлением, а также особенности технологических процессов.

Прокатка металлов

При прокатке металлов основными инструментами, воздействующими на заготовку, являются специальные валки. От их формы зависят тип и структура будущего изделия.

Комплекс оборудования по производству деталей называется прокатным станом. С его помощью выпускают детали как холодным, так и горячим способом.

Существует три способа прокатки:

1. Продольная. Самый популярный метод обработки. Заготовку пропускают между двумя валками, которые вращаются в противоположные стороны. Изменение размеров готового проката производят путем регулировки зазора между рабочими элементами.
2. Поперечная. Способ характеризуется отсутствием поступательных движений в процессе обработки. Применяется для изготовления деталей цилиндрической формы: шаров, втулок и прочих тел вращения.
3. Поперчено/продольно-винтовая. Валки располагаются под определенным углом к заготовке. Таким образом металлу придают вращательное и поступательное движение. С помощью винтовой прокатки изготавливают сверла, цельнокатаные трубы, оси, а также изделия полой структуры.

На долю данной технологии приходится около 80 % всей выплавляемой стали. Поэтому методы производства постоянно совершенствуются. Например, на передовых предприятиях сейчас внедряют технологию бесконечной холодной прокатки. Для этого на стан устанавливают сварочную машину. Она соединяет рулоны или заготовки между собой. Таким образом на стан поступает фактически «бесконечная» полоса.

Ковка

Высокотемпературная операция, которая известна еще с древних времен. Степень нагрева зависит от характеристик металла. Как правило, температурный показатель не превышает 1000 °C. Этого достаточно для потери слитком прочности и приобретения повышенной пластичности, что позволяет мастеру кузнечного дела изготавливать различные детали для нужд производства или украшения интерьера.

Технологический процесс состоит из следующих этапов:

1. Разделка слитка на части заданных размеров.
2. Порубка – операция обработки наружной поверхности заготовки.
3. Получение чернового варианта изделия. Для этого удаляют лишний материал.
4. Удлинение детали путем уменьшения ее поперечного сечения. Такую операцию называют вытяжкой.
5. Пробой отверстий необходимого диаметра выполняют с помощью специального инструмента.
6. В случае необходимости изделию придают изгиб с помощью шаблона.
7. Завершающие операции. Это может быть чеканка, изменение рельефа или создание надписи на изделии.

Для ковки в промышленных условиях используют плоские бойки, которые представляют собой параллельные плиты и гидравлический пресс.

• улучшение механических свойств;
• возможность обработки деталей больших размеров, массой до 250 тонн;
• высокая автоматизация;
• низкая себестоимость производства.

Прессование

Одна из разновидностей обработки металлов давлением. Слиток закладывают в специальную форму закрытого типа. Пуансон вытесняет изделие из полости матрицы. В качестве силового агрегата используют мощный пресс.

Методом прессования изготавливают детали с различным профилем. В качестве основного материала используют металлы с высокой хрупкостью:

Использование сменной матрицы позволяет изготавливать детали различной формы.

Волочение

Самый востребованный метод в трубном производстве. Суть производственного процесса заключается в протягивании болванки через фильеру. Так называют специальные волоки, размер которых меньше поперечного сечения заготовки.

Наиболее распространенными методами волочения являются:

• безоправочное;
• профилировочное;
• длиннооправочное;
• короткооправочное;
• на самоустанавливающейся оправке.

В зависимости от требований технологического процесса заготовку могут подвергнуть предварительному нагреву. При использовании болванки большого размера ее могут пропускать через несколько фильер с постепенным уменьшением величины сечения.

Валки обычно изготавливают из инструментальной стали или твердых сплавов.

С помощью волочения можно изготовить детали с высокой точностью, например проволоку толщиной несколько микрометров.

К слиткам для волочения предъявляют повышенные требования, поскольку большая часть дефектов переходит на готовое изделие.

Основным недостатком безоправочного волочения при производстве труб является низкое качество внутренней поверхности.

Объемная штамповка

Одна из самых распространенных технологий – обработка металла давлением. Предварительно нагретая болванка подвергается серии последовательных деформаций без нарушения целостности. Для придания слитку окончательной формы используют специальные объемные штампы, которые повторяют контуры будущего изделия.

Термин объемная указывает на то, что геометрия и габариты заготовки меняются одновременно в двух или трех измерениях.

В качестве проката чаще всего используют материалы круглого или прямоугольного сечения.

Листовая штамповка

Разновидность технологии обработки металлов давлением, с помощью которой изготавливают плоские и объемные тонкостенные изделия из материала листового типа.

Листовую штамповку применяют для изготовления большого количества идентичных деталей высокой точности. В качестве материала применяют различные металлы и сплавы, а также некоторые виды пластмасс.

Существует множество разновидностей рабочего оборудования:

• кривошипно-шатунные;
• гидравлические;
• радиально-ковочные;
• электромагнитные.

Диапазон применения технологии очень широк: от производства тонкостенных корпусов для бытовой техники до изготовления элементов крупных морских судов.

Обработка металлов давлением – востребованная технология в современной промышленности. Ее используют как для изготовления заготовок, так и в качестве способа производства готовых изделий. Сейчас наиболее востребованным методом обработки металлов давлением является прокатка. Возможна ли ситуация, когда на первый план выйдут другие технологии? Напишите ваше мнение в блоке комментариев.

Обработка металла

Металлы и их сплавы издавна используются человеком для изготовления инструментов и оружия, украшений и ритуальных предметов, домашней утвари и деталей механизмов.

Чтобы превратить металлические слитки в деталь или изделие, их требуется обработать, или изменить их форму, размеры и физико-химические свойства. За несколько тысячелетий было разработано и отлажено множество способов обработки металлов.

Особенности обработки металла

Многочисленные виды металлообработки можно отнести к одной из больших групп:

• механическая (обработка резанием);
• литье;
• термическая;
• давлением;
• сварка;
• электрическая;
• химическая.

Литье — один из самых древних способов. Он заключается в расплавлении металла и розливе его в подготовленную форму, повторяющую конфигурацию будущего изделия. Этим способом получают прочные отливки самых разных размеров и форм.

Про другие виды обработки будет рассказано ниже.

Сварка

Сварка также известна человеку издревле, но большинство методов были разработаны в последнее столетие. Сущность сварки заключается в соединении нагретых до температуры пластичности или до температуры плавления кромок двух деталей в единое неразъемное целое.

В зависимости от способа нагрева металла различают несколько групп сварочных технологий:

• Химическая. Металл нагревают выделяемым в ходе химической реакции теплом. Термитную сварку широко применяют в труднодоступных местах, где невозможно подвести электричество или подтащить газовые баллоны, в том числе под водой.
• Газовая. Металл в зоне сварки нагревается пламенем газовой горелки. Меняя форму факела, можно осуществлять не только сварку, но и резку металлов.
• Электросварка. Самый распространенный способ:
  • Дуговая сварка использует для нагрева и расплавления рабочей зоны тепло электрической дуги. Для розжига и поддержание дуги применяют специальные сварочные аппараты. Сварка ведется обсыпными электродами или специальной сварочной проволокой в атмосфере инертных газов.
  • При контактной сварке нагрев осуществляется проходящим через точку соприкосновения соединяемых заготовок сильным электротоком. Различают точечную сварку, при которой детали соединяются в отдельных точках, и роликовую, при которой проводящий ролик катится по поверхности деталей и соединяет их непрерывным швом.

С помощью сварки соединяют детали механизмов, строительные конструкции, трубопроводы, корпуса судов и автомобилей и многое другое. Сварка хорошо сочетается с другими видами обработки металлов.

Электрическая обработка

Метод основан на частичном разрушении металлических деталей под воздействием электрических разрядов высокой интенсивности.

Его применяют для прожигания отверстий в тонколистовом металле, при заточке инструмента и обработке заготовок из твердых сплавов. Он также помогает достать из отверстия обломившийся и застрявший кончик сверла или резьбового метчика.

Графитовый или латунный электрод, на который подано высокое напряжение, подводят к месту обработки. Проскакивает искра, металл частично оплавляется и разбрызгивается. Для улавливания частиц металла промежуток между электродом и деталью заполняют специальным маслом.

Ультразвуковая обработка металла

К электрическим способам обработки металлов относят и ультразвуковой. В детали возбуждаются колебания высокой интенсивности с частотой свыше 20 кгц. Они вызывают локальный резонанс и точечные разрушения поверхностного слоя, метод применяют для обработки прочных сплавов, нержавейки и драгоценностей.

Особенности художественной обработки металлов

К художественным видам обработки металлов относят литье, ковку и чеканку. В средине XX века к ним добавилась сварка. Каждый способ требует своих инструментов и приспособлений. С их помощью мастер либо создает отдельное художественное произведение, либо дополнительно украшает утилитарное изделие, придавая ему эстетическое наполнение.

Чеканка — это создание рельефного изображения на поверхности металлического листа или самого готового изделия, например, кувшина. Чеканку выполняют и по нагретому металлу.

Способы механической обработки металлов

Большую группу способов механической обработки металлов объединяет одно: в каждом из них применяется острый и твердый по отношению к заготовке инструмент, к которому прикладывают механическое усилие. В результате взаимодействия от детали отделяется слой металла, и форма ее изменяется. Заготовка превышает размерами конечное изделие на величину, называемую «припуск»

Разделяют такие виды механической обработки металлов, как:

• Точение. Заготовка закрепляется во вращающейся оснастке, и к ней подводится резец, снимающий слой металла до тех пор, пока не будут достигнуты заданные конструктором размеры. Применяется для производства деталей, имеющих форму тела вращения.
• Сверление. В неподвижную деталь погружают сверло, которое быстро вращается вокруг своей оси и медленно подается к заготовке в продольном направлении. Применяется для проделывания отверстий круглой формы.
• Фрезерование. В отличие от сверления, где обработка проводится только передним концом сверла, у фрезы рабочей является и боковая поверхность, и кроме вертикального направления, вращающаяся фреза перемещается и вправо-влево и вперед-назад. Это позволяет создавать детали практически любой требуемой формы.
• Строгание. Резец движется относительно неподвижно закрепленной детали взад- вперед, каждый раз снимая продольную полоску металла. В некоторых моделях станков закреплен резец, а двигается деталью. Применяется для создания продольных пазов.
• Шлифование. Обработка производится вращающимся или совершающим продольные возвратно- поступательные движения абразивным материалом, который снимает тонкие слои с поверхности металла. Применяется для обработки поверхностей и подготовки их к нанесению покрытий.

Каждая операция требует своего специального оборудования. В технологическом процессе изготовления детали эти операции группируются, чередуются и комбинируются для достижения оптимальной производительности и сокращения внутрицеховых расходов.

Обработка давлением

Обработка металла давлением применяется для изменения формы детали без нарушения ее целостности. Существуют следующие виды:

Перед ковкой заготовку нагревают, опирают на твердую поверхность и наносят серию ударов тяжелым молотом так, чтобы заготовка приняла нужную форму.

Исторически ковка была ручной, кузнец разогревал деталь в пламени горна, выхватывал ее клещами и клал на наковальню, а потом стучал по ней кузнечным молотом, пока не получался меч или подкова. Современный кузнец воздействует на заготовку молотом кузнечного пресса с усилием до нескольких тысяч тонн. Заготовки длиной до десятков метров разогреваются в газовых или индукционных печах и подаются на ковочную плиту транспортными системами. Вместо ручного молота применяются кузнечные штампы из высокопрочной стали.

Для штамповки требуется две зеркальные по отношению друг к другу формы — матрица и пуансон. Тонкий лист металла помещают между ними, а потом с большим усилием сдвигают. Металл, изгибаясь, принимает форму матрицы. При больших толщинах листа металл нагревают до точки пластичности. Такой процесс называют горячая штамповка.

Во время штамповки могут выполняться такие операции, как:

С помощью штамповки выпускают широчайший ассортимент изделий — от корпусов бытовой техники до колесных дисков и бензобаков.

Обработка с помощью резки

Металл поступает на предприятие в виде проката — листов или профилей стандартных размеров и толщин. Чтобы разъединить лист или профиль на изделия или заготовки нужных размеров, применяют обработку резкой.

Для профиля чаще всего используют резку абразивным кругом или дисковой пилой.

Для раскроя листов металла применяют несколько видов резки:

• Ручная. Газосварщик с газовой горелкой вырезает куски металла нужного размера и формы. Применяется в небольших мастерских и на опытных производствах.
• Газовая. Установка газовой резки режет пламенем автоматизированной газовой горелки и позволяет не только быстро произвести раскрой листа, но и разложить вырезанные заготовки по контейнерам для доставки их на сборочные участки
• Лазерная. Режет металл лазерным лучом. Отличается высокой точностью и малым коэффициентом отходов. Кроме резки, может выполнять операции сварки и гравировки — нанесения на металл не удаляемых надписей.
• Плазменная. Режет металл факелом высокоионизированного газа — плазмы. Применяется для раскроя листов из твердых и специальных сплавов.

В условиях промышленного производства и средних или крупных серий на первый план выходит такое понятие, как коэффициент использования металла. Он повышается как за счет более плотной раскладки деталей по площади, так и за счет прогрессивных технологий резки, дающих меньше отходов

Химическая обработка металлов для повышения защитных свойств материала

Химическая обработка металла — это воздействие на него специальными веществами с целью вызвать управляемую химическую реакцию.

Выполняются как подготовительные операции для очистки поверхности перед сваркой или покраской, так и как финишные отделочные операции для улучшения внешнего вида изделия и защиты его от коррозии.

С помощью электрохимической обработки гальваническим методом наносят защитные покрытия.

Термические виды обработки металлов

Термическая обработка металлов применяется для улучшения их физико-механических свойств. К ней относя такие операции, как:

Термическая обработка стали

Термическая обработка заключается в нагревании детали до определенной температуры и ее последующем охлаждении по специальной программе.

Отжиг

Заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи.

Отжиг снижает твердость стали, но существенно повышает пластичность и ковкость.

Применяется перед штамповкой или раскаткой. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.

Закалка

При закалке заготовку прогревают до температуры пластичности и держат в таком состоянии в течение определенного времени, за которое стабилизируются внутренние структуры металла. Далее изделие быстро охлаждают в большом количестве воды или масла. Закалка существенно повышает твердость материала и снижает его ударную вязкость, повышая, таким образом, и хрупкость. Применяют для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.

Отпуск

Проводится после закалки. Образец нагревают до температуры, несколько меньшей температуры закалки, и охлаждают медленно. Это позволяет компенсировать излишнюю хрупкость, появившуюся после закалки. Применяется в инструментальном производстве

Старение

Искусственное старение заключается в стимуляции фазовых превращений в массе металла. Его проводят при умеренном нагреве для придания материалу свойств, возникающих при естественном старении за долгое время.

Нормализация

Нормализация проводится для повышения ковкости без заметного снижения твердости за счет приобретения сталью мелкозернистой структуры.

Ее применяют перед закалкой и для повышения обрабатываемости резанием. Проводят так же, как и отжиг, но остывает заготовка на открытом воздухе.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Виды обработки металлов давлением

Процесс пластической деформации различного металла, для придания заготовке нужной формы и необходимого размера, называется обработкой металла давлением или ОМД.

Под такую обработку могут попадать только пластичные материалы типа сталь, сплавы меди, магния, алюминия и др., при этом они могут быть холодными или нагретыми.

Давление как способ обработки металла

Под давлением холодный металл деформируется, сплющивается и вытягивается. При этом он становится прочнее и тверже, но теряет пластичность и вязкость. Пластическая деформация увеличивает прочность материала, этот процесс называется наклёп.

При увеличении плотности дислокаций и высокой концентрации точечного дефекта в наклёпе, уменьшается свободное перемещение дислокаций и усложняется дальнейшее пластическое деформирование.

Обрабатывая разогретый металл, получаем увеличенную пластичность, за счёт уменьшения сопротивления. Даже небольшой нагрев уменьшает наклёп, благодаря частичному исчезновению дефектов решётки, при сохранении деформированной формы зерна. Этот эффект называется возврат металла.

Если сильнее разогреть материал, то наклёп полностью пропадёт. Начнётся процесс, при котором деформированные старые зёрна образовывают новые, более совершенные, происходит первичная рекристаллизация. Дальнейший нагрев даётвторичную рекристаллизацию, при котором увеличиваются отдельные зёрна.

Каждый сплав металла, при горячей обработке, имеет два предела — верхний и нижний. Верхняя предельная точка не доходит до линии солидуса (температура плавления) примерно 160−200 °C, а нижняя точка — на 60−70 °C больше температуры, при которой перлит и цементит превращается аустенит.

Зону пережога отделяет от перегрева всего лишь 100 °C, что очень важно, так как пережжённая деталь никуда не годна, она идёт на переплавку. Зона перегрева отличается интенсивным ростом зерна, что делает металл непрочным и хрупким. Чтобы исправить последствия перегрева, необходимо измельчить зерно, для этого применяют термическую обработку — отжиг.

Для получения наименьшего размера зерна, необходимо деформировать материал при наименьшем нагреве, когда температура близка к зоне наклёпа.

Для разогрева заготовок используют пламенные или электрические печи:

Нагрев проводят быстро и равномерно. Это минимизирует термическое напряжение и не даёт вырасти крупному зерну.

Прокат металла

Деформирование происходит во время прокатки заготовки между вращающихся валов. Давление валов уменьшает толщину металла, делая его длиннее и шире. Прокатка используется для обработки стали, цветных металлов и сплавов.

Продольная прокатка — при этой обработке заготовка движется поступательно, перпендикулярно валкам, которые движутся в разные стороны и деформируют её в длину. Такой способ используется для изготовления 90% листового и профильного проката.

Поперечная прокатка — заготовка не движется вперёд, крутиться на одном месте. Движение ей придают валки, двигающиеся в одном направлении, деформирующие круглую заготовку в поперечном сечении. Такой вид прокатки применяют для производства валов, зубчатых колёс.

Поперечно-винтовая прокатка — заготовка получает вращательно-поступательное движение от перекошенных валков, расположенных под углом и вращающихся в одном направлении. Металл деформируется одновременно вдоль и поперёк. Такой вид проката используют для изготовления бесшовных труб.

Прокатные валки

На производство прокатных валков идёт легированная сталь или высокопрочный чугун. У каждого валка есть рабочая часть — так называемая бочка, шейка и трефа. Шейка предназначена для вращения в подшипнике, а трефа необходима для соединения валка с муфтой или шпинделем, чтобы получать от них крутящий момент.

Валок может быть гладким или калиброванным, для получения определённого вида проката. Прокат осуществляется на прокатном стане.

Прокатный стан

Прокатные станы разделяются на двух, трёх и многовалковые. Они могут быть со стационарным реверсивным или нереверсивным направлением вращения валов, и с изменяемым направлением вращения валов.

Прокатный стан может быть:

• обжимным;
• сортовым;
• листовым;
• рельсовым;
• трубопрокатным и др.

Отличаются станы и по размеру, бывают мелко и крупносортные. Крупносортный стан — называется блюмингом либо слябингом. Они предназначены для проката больших слитков в квадратную заготовку — блюм или в прямоугольную — сляб.

Прокатное производство выпускает не только готовую продукцию (трубы, проволока, арматура, рельс), также это заготовки для дальнейших механических обработок. Профиль производственного проката может быть листовым, сортовым, трубным и специальным.

Листовой:

• Тонколистовой прокат металла толщиной менее 4 мм. При толщине листа меньше 0,2 мм это будет фольга или жесть.
• Толстолистовой прокат листа более 4 мм и до 160 мм. Такие изделия получают только при разогретой обработке.

Сортовой:

• Простой прокат — круг, квадрат, прямоугольник, квадрат и т. д.
• Фасонный прокат — тавр, двутавр, уголок, рельс, швеллер.

Трубный:

Для этого изобрели сложный технологический трубопрокатный стан. Трубный прокат даёт возможность получать бесшовную и сварную горячекатаную трубу.

Волочение металла

Холодная заготовка металла протягивается через суживающееся отверстие, это происходит под большим давлением. Такое отверстие называется — волока. Волочение делают, проводя заготовку через несколько отверстий с уменьшением диаметра. Во время этого процесса происходит наклёп. Чтобы снять прочность материала, делают отжиг и травление окалины.

Проволока, калиброванный прут, тонкостенная труба различного профиля — получаются благодаря применению волочения. Продукция выходит точного размера и с чистой поверхностью.

Для того чтобы волока выдерживала жёсткие условия использования, на её изготовление идёт инструментальная сталь или твёрдый металлокерамический сплав, на производстве тонкой проволоки применяются технические алмазы.

Чтобы уменьшить трение, отвести тепло и повысить стойкость инструмента применяется жидкая и сухая смазка. Это может быть различное минеральное масло, эмульсия, мыло или графитовый, медный, молибденовый порошок.

Прессование заготовки

Прессование — это горячая обработка металла давлением. Используя всестороннее сжатие и давление, разогретый металл выдавливается через отверстие в матрице. Для металлов с низкой пластичностью, такая обработка считается единственным методом, дающим возможность получить прут с простым или сложным сечением.

Прессование может быть двух методов:

При этом меняется только движущая часть пресса. В первом случае — движется пуансон к заготовке, во втором — заготовка к пуансону. Для получения прута любого сечения можно использовать любой метод прессования, а трубы можно получить только благодаря прямому прессованию.

Условия работы пресс-камеры, пуансона и пресс-шайбы очень жёсткие. Благодаря большому давлению и высокой температуре они быстро приходят в негодность. Их изготавливают из жаропрочных сплавов и инструментальной стали.

Чтобы увеличить срок службы используют смазывающие вещества: минеральное масло, графит, канифоль, в определённых ситуациях применяется жидкое стекло. Этот метод обработки имеет недостаток — необрабатываемый остаток, около 20% металла остаётся в прессе.

Ковка металла

Обработка металла при помощи молота или пресса. Деформирование происходит между двух плоскостей. Такое изделие называется поковка. Низкая производительность сопутствует ручной ковке, поэтому в промышленности используют машинную ковку.

Во время ковки, металл неограничен рабочей поверхностью и может растекаться по сторонам инструмента. У молота или пресса есть два бойка, нижний и верхний. Первый — неподвижный, второй подвижный, заготовку помещают между ними.

Ковка может нести основной и вспомогательный характер.

• Осадка — уменьшается высота заготовки, при этом увеличивается площадь поперечного сечения.
• Высадка — осаживается часть заготовки. Для этого используют оправку — подкладной инструмент.
• Протяжка — увеличивается длина заготовки, за счёт уменьшения площади поперечного сечения.
• Раскатка при помощи оправки — увеличивается внутренний и наружный диаметр кольца, постепенно уменьшая толщину стенок.
• Прошивка — получение сквозного отверстия. Используют прошивень, благодаря ему делают и полость. Отходы металла называют выдра.
• Рубка — отсоединение некоторой части заготовки.
• Гибка — придание заготовке изгиба, используя заданный контур. Благодаря опорам и приспособлениям делают различные угольники, скобы.
• Скручивание — часть заготовку проворачивают вокруг своей оси.
• Передача — вертикально смещается часть заготовки по отношению к другой её части. Используются дополнительные опоры.

Штамповка формовая

Изготовление сложного изделия, используя давление и специальную форму — штамп. Штамповка бывает объёмной или листовой, может проводиться с горячей или холодной заготовкой.

Металл для объёмной штамповки имеет простую форму, а деформируясь, заполняет полость всего штампа. Листовая штамповка незначительно изменяет толщину получаемой детали от первоначальной толщины заготовки. Чаще всего, объёмную штамповку проводят с разогретым металлом, а листовую с холодным. Горячая листовая штамповка проводится в случаях, когда необходимо обработать давлением металл, который будучи холодным, недостаточно пластичный.

Горячая

Используя горячую объёмную штамповку, благодаря специальным штампам, из заготовки производят штампованную поковку. Штамп — так называют форму будущей детали, в которую впрессовывается заготовка. Он состоит, как правило, из двух деталей: первая часть крепится неподвижно к молоту или прессу, вторая — к подвижной части оборудования. Между ними, для выхода лишнего металла, предусмотрены полости — ручьи.

Существует две разновидности штампа:

1. Открытый — специально создан зазор между половинками штампа, для выхода избытка металла — облой или заусенец. Он закрывает выход, этим способствует заполнению металлом всей формы.
2. Закрытый — зазор между частями штампа отсутствует. Нет отходов, минимальный расход и улучшенная структура металла в изделии. Требует очень точного измерения массы заготовки.

Отличается штамповка одноручьевым и многоручьевым штампом.

Одноручьевой штамп — это одна полость. Используются для штамповки изделий простых конфигураций.

Многоручьевой штамп — сложные, несколько уровневые изделия. Заготовка проходит первоначальную деформацию за счёт черновых ручьёв, это вытяжка или гибка. Следующий этап, окончательная придача формы, используя штамповочные ручьи.

Для приготовления штампов используется легированная сталь и специальная штамповочная сталь, у которой высокая твёрдость, вязкость и жаропрочность.

В качестве оборудования используется газовоздушный штамповочный молот или гидравлический пресс.

Холодная

Эта штамповка обладает высокой производительностью и низкой себестоимостью. Это хорошая возможность получить простые или сложные детали с высокой точностью выполнения.

• Холодное выдавливание — формируется сплошное или полое изделие, используется пластическое течение металла, через одно или несколько отверстий штампа. Этот метод деформирования имеет похожие с прессованием черты. Металл может выдавливаться через различные отверстия, соответственно выдавливание может быть прямым, обратным и комбинированным.
• Холодная высадка — саживается часть заготовки. Этот способ применяют в производстве различных крепёжных изделий. Холодную объёмную штамповку производят одинаково с горячей, только используют открытые штампы.
• Отрезка — операция с целью холодного отделения некоторой части листа, используя штамп или машинные ножницы.
• Вырубка, пробивка — отсоединяется часть заготовки в замкнутом контуре. В первой ситуации вырубаемая часть — необходимая деталь, во второй — отходы.
• Правка— формирующая операция необходимая для удаления неровности и кривизны плоских поверхностей.
• Вытяжка — деформация листа до пустотелой выпуклости, открытой с другой стороны.
• Гибка — придание заготовке необходимой кривизны.
• Отбортовка — придание предварительно выбитым отверстиям вида горловины или борта.
• Обжим — уменьшение диаметра концевой части полой заготовки.
• Вальцовка — применяется для получения трубы из листового металла или чтобы получить гофрированную поверхность.
• Взрывная штамповка — листовую заготовку устанавливают на матрицу и опускают под воду, масло или песок, а над промежуточной средой производят взрыв. Энергия от взрыва передаётся заготовке и деформирует её согласно матрице. Если пропускают через воду электрический разряд, то получают подобную ударную волну, а процесс называют электрогидравлической штамповкой.

Ещё существует специализированная обработка давлением, к ней относится: обкатка, раскатка и калибровка отверстий, накатка рифлений, резьбы и зубьев.

Обкатку и раскатку используют, чтобы упрочнить любую поверхность детали. Будь она плоской, конической или цилиндрической формы, снаружи и внутри её.

Калибровку проводят специальным шариком или стержнем, путём одноразового или многократного перемещения инструмента. При многократной калибровке используют увеличивающийся размер инструмента, что сглаживает неровности и упрочняет поверхность.

Накатку используют при необходимости получить фасонную поверхность, ту же резьбу, клейму, рифление на плоскости и др. Для этого вдавливают необходимый инструмент в заготовку.

В результате ОМД можно получить готовые изделия практически любой формы, всевозможных размеров и параметров. Это стало возможным благодаря современным технологиям. Подобная продукция востребована во всех сферах деятельности человека и с каждым днём становится ещё более необходимой.

Методы обработки металла давлением

Автор: Юлия Рощина, специально для www.EquipNet.ru Фотографии с сайтов mirmet.spb.ru, technics.rin.ru

Метод обработки металлов давлением был изобретен несколько тысяч лет назад, когда люди впервые изготавливали орудия труда, проковывая на плоском камне куски самородной меди. Многое изменилось с тех пор: процессы ковки и штампования, прокатки и волочения непрерывно идут на огромных заводах под управлением электроники, лишь изредка требуя вмешательства человека.

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

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

Прессование проводят при высокой температуре методом экструзии, что позволяет изготавливать изделия сложного поперечного сечения. Методом прошивки делают бесшовные трубы из литых цилиндрических заготовок и экструдированных прутков. Прошивка требует большой деформации металла, поэтому применяется только для стали и меди, а также некоторых пластичных сплавов. Волочением производятся проволока, прутки, трубы.

Ковка и штампование

Ранние машины для ковки двигались при помощи пара. Поначалу, в середине XIX века, пар служил только для того, чтобы поднять вверх тяжелый молот, а ковка происходила силой падения груза. Сейчас наиболее распространены горизонтально-ковочные машины, они самые производительные и универсальные, служат для штампования заготовок из прутка. Сложные поковки разнообразной формы готовятся с высокой точностью, сохраняя гладкой поверхность.

Hebo (Германия) – компания, которая производит оборудование для художественной ковки с 1973 года. Машины Hebo изначально создавались для максимальной автоматизации механических процессов, чтобы оставить мастерам больше времени для творчества. Проектирование оборудования развивалось по пути ускорения операций гидравлических и механических приборов под контролем электроники. Другое приоритетное направление разработок – универсальность: конструкции машин обязательно предполагают возможность быстрой переналадки блоков и оснастки. Теперь компания выпускает комплексные системы автоматов, оборудованных компьютерным управлением. Например, Блок HPG2, специально созданный для небольших кузнечных мастерских, может работать с любым из базовых приводов: STM1 – STM6, SPA2, SPA3. Этот станок обрабатывает квадратный пруток с сечением до 25х25 мм и полосы до 40х8 мм. Гладкий вал DRW и один вал EGW с «дизайнами» входит в базовый комплект, оснащен рихтовочным устройством. В России продукцию Hebo представляет компания «German Forge», официальный поставщик с 1994 года.

Взрыв, как технологический процесс

Взрывное штампование разработано в 40-х годах прошлого века в Харьковском авиационном институте. Уже через 10 лет этот метод широко применялся при изготовлении крупногабаритных деталей ракет и самолётов. Давление на металл создаётся энергией взрыва пороха или газа через передающую среду. Передающая среда – жидкость или газ, а чаще всего используется вода. Кроме того, взрыв может проводиться в вакуумной камере или в атмосфере разреженного газа. При взрыве в материале возникают большие механические напряжения, значительно превышающие предел его упругости. Смысл метода заключается в том, что металл, который подвергается деформации в течение тысячных долей секунды, превосходит по физико-механическим свойствам изделия, отштампованные на прессах. Обыкновенно, матрицу с заготовками помещают в бассейн с водой, где происходит взрыв. Но такую работу нельзя проводить в стенах зданий из-за угрозы разрушения, поэтому приходится строить отдельные полигоны. Сейчас разработаны перспективные методы безбассейнового штампования, которые позволяют сократить затраты на организацию производства на порядок.

Обжатие прокаткой

Прокатка – процесс пластического деформирования металла в валках, придающий заготовке необходимую форму поперечного сечения и продольные размеры. Когда металл проходит между захватывающими его валками, он деформируется и уменьшается по толщине, одновременно удлиняясь. При холодной прокатке металл упрочняется, образуется наклеп. Этот вид обработки используется для производства листов и ленты толщиной менее 1,5-6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб. Теплая прокатка, при повышенной температуре, служит для снижения наклепа металла при его деформации. Также применяется горячая прокатка при высокой температуре. Но, пожалуй, только контролируемая прокатка позволяет добиться исключительных свойств готовых изделий: металл, обработанный таким образом, обладает повышенным пределом текучести, снижением температуры вязко-хрупкого перехода и лучшей свариваемостью. В готовом прокате формируются мелкозернистые структуры с упорядоченным распределением дефектов кристаллической решетки. Изделия контролируемой прокатки применяют при строительстве трубопроводов, высокотехнологичном машиностроении и различных ответственных производствах.

Низкотемпературная контролируемая прокатка применяется для производства толстолистового проката для магистральных газопроводов большого диаметра. Проходит на реверсивных станах и состоит из трех этапов многопроходной горизонтальной деформации с регламентированными разовыми и суммарными обжатиями. Сначала, выше температуры рекристаллизации аустенита (аустенит – многокомпонентный твердый раствор углерода и легирующих элементов в Fe). Тогда при повторной рекристаллизации происходит измельчение его зерна. На следующей стадии происходит наклеп аустенита, на третьей – полигонизация феррита с последующим охлаждением со скоростью 15—20 °С/с. Упрочнение стали достигается за счет измельчения зерна феррита и выделения мелкодисперсных карбидных частиц, которое интенсифицируется низкотемпературной конечной горячей деформацией.

Высокотемпературный процесс основывается на особенностях фазовых превращений в Fe-C сплавах: мелкозернистая ферритно-перлитная структура в горячее деформированной стали может получиться в результате у->а – превращения как перекристаллизованного деформированного (наклепанного) аустенита, так и повторно рекристаллизованного аустенита, если в нем сохранилось достаточно мелкое зерно. В процессе прокатки происходит карбонитридное микролегирование (Ti, V, Al, N) стали. Наиболее полно высокотемпературная контролируемая прокатка применяется на «Нижнетагильском металлургическом комбинате»: здесь изготавливают прокат повышенной прочности и хладостойкости.

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