Глава 4. ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ

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

?max=(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 (?>28%) и малом отношении предела текучести к пределу прочности - бт/бв90° R=(0,25-0,35)S
, при a(1-1,2)S (рис.14в).

7. Минимальное расстояние между пробиваемым отверстием и ранее полученным контуром детали a2>(0,7-0,9)S (рис.14в).

8. Минимальное расстояние между одновременно пробиваемыми отверстиями равно двум-трем толщинам металла. *

9. Точность размеров определяется в зависимости от толщины штампуемого металла и конфигурации детали, для круглых контуров она находится в пределах 11-14 квалитета.

10. Шероховатость поверхности среза по толщине неоднородна: в зоне среза Rа = 2,5-0,32 мкм, в зоне скола - Rz=80-20 мкм. Технологический маршрут вырубки*пробивки: а) вырубка - укладка полосы в штамп и установка ее до упора, вырубка детали, удаление детали из штампа (и подача полосы на шаг),

- галтовка (для снятия заусенцев),

- рассортировка деталей и абразивов,

- контроль, б) пробивка - укладка заготовки в штамп,

- пробивка детали,

-удаление детали из штампа,

- контроль.

Чистовая вырубка и пробивка

Чистовую вырубку и пробивку применяют для исключения недостатков вырубки-пробивки: получения перпендикулярности поверхности среза плоскости детали, устранения прогиба, получения шероховатости поверхности с параметром Ra = 2,5-0,32 мкм и точности 6-9 квали- тета.

Зачистка

Зачистка и калибровка применяются для тех же целей, что и чистовая вырубка и пробивка, т.е. достижения перпендикулярности поверхности среза плоскости листа, шероховатости Rа = 2,5-0,32 мкм, точности 8-9 квалитета.
Зачистка (калибровка)производится на ранее полученных вырубкой (пробивкой) заготовках. В этом случае после правки с обрабатываемой поверхности снимают небольшой слой материала - припуск.

Зачистка выполняется по наружному или внутреннему контуру заготовки.
Минимальная величина припуска на зачистку равна зазору между пуансоном и матрицей при вырубке или пробивке (рис.15). Зачистку применяют для деталей с периметром до 300 мм и толщиной до 10 мм. Зачистка выполняется за один проход для деталей толщиной менее 5 мм с плавным очертанием наружного контура. Многократную зачистку применяют для деталей толщиной более 5 мм и для деталей со сложной конфигурацией наружного контура независимо от толщины. Качество зачистки зависит от величины припуска и распределения его по периметру, а при многократной зачистке от распределения по переходам.

Применяют также зачистку обжатием в матрице с заваленными кромками, припуск в этом случае составляет 0,04-0,06 мм.

Формообразующие операции

Гибка. Гибка - это формообразующая операция, при которой изменяется кривизна в одном или нескольких участках заготовки.

Изменение кривизны может происходить только при переменных деформациях по толщине; эти переменные деформации вызваны переменными напряжениями по толщине. Гибка производится под действием силы, момента или одновременно силой и моментом. Наиболее часто используется гибка силой (рис.16а).

Исследование процесса гибки показывает, что по толщине напряжения и деформации не только постепенно изменяются, но и различны

по знаку: в участках, прилегающих к матрице, возникают растягивающие напряжения и деформации растяжения, а участках, прилегающих к пуансону, напряжения и деформации сжатия, что приводит к изменению поперечного сечения (рис.16б). Между этими участками находятся слои с напряжениями и деформациями равными нулю. В общем случае, слои нулевых напряжений и деформаций (нейтральные слои) не совпадают. Практическое значение имеет положение нейтрального радиуса деформаций, определяемого по формуле r1=r+x*s (6) где r - радиус пуансона, S - толщина металла, x - коэффциент смещения нейтрального от серединного слоя, определяемой в зависимости от отношения r/s , при r/s = 0,5 x=0,3 при r/s = 10, x=0,5. В дальнейшем r1 используется для определения размеров заготовки.

В процессах гибки большое значение имеет радиус гибки. Величина его ограничивается минимальным радиусом. Минимальный радиус гибки определяется из условия отсутствия разрушения металла в зоне растяжения. Минимальная величина этого радиуса зависит от пластических свойств материала и толщин заготовки. Для материалов средней пластичности ( ? = 15-20%) минимальный радиус гибки (пуансона) ориентировочно равен 0,5 * Для конкретных материалов (условий*) уточняется по таблицам. Чем более пластичный металл, тем меньше минимальный радиус гибки и наоборот. Минимальный радиус гибки зависит и от расположения линии гибки относительно направления проката
(расположения волокон макроструктуры); при параллельных линию гибки и направлении проката - минимально допустимый радиус больше, чем при взаимноперпендикулярном расположении направления проката и линии гибки, когда получают наименьшую величину минимально допустимого радиуса гибки.
При промежуточной величине угла наклона линии гибки к направлению проката надо брать промежуточные значения радиуса гибки, пропорциональные величине угла. Для предупреждения образования отпечатков на полочках детали необходимо назначать на кромках матрицы, по которым втягивается материал, радиус не менее трех толщин.

Так как напряжения и деформации по толщине неодинаковы по величине и знаку, то на основе закона о разгрузке, происходит уменьшение растянутой части, и увеличение размера сжатой части заготовки. Это приводит к упругому изменению угла гибки - пружинению, приводящему к уменьшению угла гибки
(рис.17). Одновременно происходит и увеличение радиуса гибки.

Пружинение зависит от относительной величины радиуса пуансона r/s , материала детали, угла гибки и других факторов. Величина пружинения для данных условие гибки постоянна. Величина пружинения может быть уменьшена путем сжатия (правки) детали в штампе. При радиусах гибки менее r/s