Исходной заготовкой при прокатке служат слитки: стальные массой до 60 т, из цветных металлов и их сплавов обычно массой до 10 т. При производстве сортовых профилей стальной слиток массой до 15 т в горячем состоянии прокатывают на блюминге, получая заготовки квадратного (или близкого к нему) сечения (от 140X140 до 450x450 мм), называемые блюмами. Затем блюмы поступают на заготовочные станы для прокатки заготовок требуемых размеров или сразу на крупносортные станы для прокатки крупных профилей сортовой стали. На заготовочных и сортовых станах заготовка последовательно проходит через ряд калибров.
Разработку системы последовательных калибров, необходимых для получения того или иного профиля, называют калибровкой. Калибровка является сложным и ответственным процессом. Неправильная калибровка может привести не только к снижению производительности, но и к браку изделий. Чем больше разность в размерах поперечных сечений исходной заготовки и конечного изделия и чем сложнее профиль последнего, тем больше число калибров требуется для его получения. Число калибров может быть различным; например, при прокатке проволоки диаметром 6,5 мм их число достигает 21. После прокатки полосы режут на мерные длины, охлаждают, правят в холодном состоянии, термически обрабатывают, удаляют поверхностные дефекты.
При производстве листового проката стальной слиток массой до 50 т в горячем состоянии прокатывают на слябинге или блюминге, получая заготовку прямоугольного сечения (наибольшей толщиной - 350 и шириной - 2300 мм), называемую слябом.
В настоящее время вместо прокатанных заготовок широко применяют заготовки в виде слябов, полученные непрерывной разливкой. Слябы прокатывают большей частью на непрерывных станах горячей прокатки, состоящих из двух групп рабочих клетей - черновой и чистовой, расположенных друг за другом. Перед каждой группой клетей сбивают окалину в окалиноломателях. После прокатки полосу толщиной 1,2-16 мм сматывают в рулон. К отделочным операциям производства горячекатаного листа относятся резка, травление, термическая обработка и др.
Исходным материалом для холодной прокатки листа толщиной менее 1,5 мм обычно служат горячекатаные рулоны. На современных станах холодной прокатки производят листовую сталь с минимальной толщиной 0,15 мм и ленты с минимальной толщиной 0,0015 мм. Современным способом холодной прокатки является рулонный. Предварительно горячекатаный лист очищают травлением в кислотах с последующей промывкой. Прокатывают на одноклетьевых и многоклетьевых непрерывных четырех валковых станах, а также на многовалковых станах. После холодной прокатки материал проходит отделочные операции: отжиг в защитных газах, нанесение в случае необходимости покрытий, разрезку на мерные листы и др.
При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка - образование отверстия в слитке или круглой заготовке. Эту операцию выполняют в горячем состоянии на прошивных станах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под небольшим углом (5-15°) друг к другу. Оба валка вращаются в одном и том же направлении, т. е. в данном случае используется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому расположению валков заготовка получает одновременно вращательное и поступательное движения. При этом в металле возникают радиальные растягивающие напряжения, которые вызывают течение металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю полость, и облегчают прошивку отверстия оправкой, устанавливаемой на пути движения заготовки.
Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространенном методе трубу прокатывают на короткой оправке в так называемом автоматическом двухвалковом стане. Валки образуют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закрепленной на длинном стержне оправкой и ручьями валков определяет толщину стенки трубы. Для устранения неравномерности толщины стенки по сечению и рисок после раскатки производят обкатку труб в обкатных станах, рабочая клеть которых по конструкции аналогична клети прошивного стана. Затем для получения заданного диаметра трубы прокатывают в калибровочном многоклетьевом стане продольной прокатки без оправки; а при необходимости получения труб диаметром менее 80 мм - еще и в редукционных непрерывных станах с рабочими клетями аналогичной конструкции.
Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки - ленты (называемой штрипсом) или из листов, ширина которых соответствует длине (или половине длины) окружности трубы. Процесс изготовления сварной трубы включает следующие основные операции: формовка плоской заготовки в трубу, сварка кромок, уменьшение (редуцирование) диаметра полученной трубы. Для сварки чаще применяют следующие способы: печную сварку, сварку сопротивлением и дуговую под слоем флюса. При производстве труб печной сваркой ленту, размотанную с рулона, правят, нагревают в узкой длинной (до 40 м) газовой печи до температуры 1300-1350 °С и формируют в трубу в непрерывном прокатном стане (рис. 3.12). Стан состоит из 6-12 рабочих клетей, в которых валки образуют круглые калибры. При прокатке в калибрах прижимаемые одна к другой кромки, до полнительно нагретые до высокой температуры обдувкой кислородом, свариваются. Выходящую из стана трубу разрезают специальной пилой на куски требуемой длины и далее калибруют на калибровочном стане. Этим способом изготовляют трубы самой низкой стоимости из низкоуглеродистой стали (Ст2кп) диаметром 10-114 мм.
Электросваркой можно получать трубы большого диаметра (до 2500 мм) с тонкой стенкой (до 0,5 мм) из легированных сталей.
При производстве труб сваркой сопротивлением ленты или полосы свертывают в холодном состоянии в трубу в формовочных непрерывных станах. При выходе из формовочного стана трубная заготовка поступает на трубоэлектросварочный стан, где кромки трубы прижимаются друг к другу двумя парами вертикальных валков и одновременно свариваются роликовыми электродами. После сварки трубу калибруют, разрезают на части.
Дуговой сваркой под флюсом изготовляют, трубы с прямыми и спиральными швами. В первом случае подготовленный лист формуют на листогибочных валковых станах или на прессах, затем сваривают, причем швы накладывают снаружи и изнутри трубы. При получении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам.
Трубы с более тонкой стенкой, высокими качеством поверхности и точностью размеров получают на станах холодной прокатки труб различных типов, а также волочением. В качестве заготовки в этом случае применяют горячекатаные трубы.
Процессы получения специальных видов проката отличаются большим разнообразием. Причем некоторые из них осуществляют на металлургических предприятиях, а другие - на машиностроительных. Особенно большое значение имеет прокатка периодических профилей, которые применяют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку. Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станках поперечно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, но и заготовки шаров и сферических роликов подшипников качения (рис. 3). Валки 2 и 4 вращаются в одну и ту же сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 1 при прокатке получает вращательное и поступательное движения; от вылета из валков она предохраняется центрирующими упорами 3. Производство других специальных видов проката, осуществляемых чаще на машиностроительных предприятиях.
Рис. 3. Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки
5.2 Механический цех
Одна из главных задач машиностроения - дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей. Особенно большое внимание уделяется чистовым и отделочным технологическим методам обработки, объем которых в общей трудоемкости обработки деталей постоянно возрастает. Наряду с механической обработкой резанием применяют методы обработки пластическим деформированием, с использованием химической, электрической, световой, лучевой и других видов энергий. Весьма прогрессивны комбинированные методы обработки.
Обработка металлов резанием - это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали. Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах станков, обеспечивающих эти относительные движения: в шпинделе, на столе, в револьверной головке. Движения рабочих органов станов подразделяют на движения резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания. К ним относят главное движение и движение подачи.
За главное принимают движение, определяющее скорость деформирования и отделения стружки, за движение подачи - движение, обеспечивающее врезание режущей кромки инструмента в материала заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по своему характеру вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения обозначают v, величину подачи -s.
Движение, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя материала, называют установочными. К вспомогательным движениям относят Транспортирование заготовки, закрепление заготовок и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов станка и др.
Режущие инструменты в данном производстве работают в условиях больших силовых нагрузок, высоких температур и трения. Поэтому инструментальные материалы должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований. Материал рабочей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие допустимые напряжения на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала рабочей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки.
Высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяла воспринимать ударную динамическую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов и заготовок с прерывистой поверхностью. Инструментальные материалы должны иметь высокую красно стойкость, т. е. сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. Важнейшей характеристикой материала рабочей части инструмента является износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент. Это значит, что разброс размеров деталей, последовательно обработанных одним и тем же инструментом, будет минимальным.
В основу классификации металлорежущих станков, принятой в нашей стране, положен технологический метод обработки заготовок. Классификацию по технологическому методу обработки проводят в соответствии с такими признаками, как вид режущего инструмента, характер обрабатываемых поверхностей и схема обработки. Станки делят на токарные, сверлильные, шлифовальные, полировальные и доводочные, зубообрабатывающие, фрезерные, строгальные, разрезные, протяжные, резьбообрабатывающие и т. д.
Классификация по комплексу признаков наиболее полно отражается в общегосударственной Единой системе условных обозначений станков. Она построена по десятичной системе; все металлорежущие станки разделены на десять групп, группа - на десять типов, а тип - на десять типоразмеров. В группу объединены станки по общности технологического метода обработки или близкие по назначению (например, сверлильные и расточные). Типы станков характеризуют такие признаки, как назначение, степень универсальности, число главных рабочих органов, конструктивные особенности. Внутри типа станки различают по техническим характеристикам.
В соответствии с этой классификацией каждому станку присваивают определенный шифр. Первая цифра шифра определяет группу станков, вторая тип, третья (иногда третья и четвертая) показывает условный размер станка. Буква на втором или третьем месте позволяет различать станки одного типоразмера, но с разными техническими характеристиками. Буква в конце шифра указывает на различные модификации станков одной базовой модели. Например, шифром 2Н135 обозначают вертикально-сверлильный станок (группа2, тип 1), модернизированный (Н), с наибольшим условным диаметром сверления 35 мм (35).
Различают станки универсальные, широкого применения, специализированные и специальные. На универсальных станках выполняют самые разнообразные работы, используя заготовки многих наименований. Примерами таких станков могут быть токарно-винторезные, горизонтально-фрезерные консольные и др. Станки широкого назначения предназначены для выполнения определенных работ на заготовках многих наименований (многорезцовые, токарно-отрезные станки). Специализированные станки предназначены для обработки заготовок одного наименования, но разных размеров (например, станки для обработки коленчатых валов). Специальные станки выполняют определенный вид работ на одной определенной заготовке.
6. БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Снижение производственной опасности осуществляется выполнением соответствующих инструкций:
№013- Для работающих на токарных станках, автоматах и полуавтоматах с ЧПУ (2000 год).
№029- Для работающих на металлорежущих станках (2002 год).
6.1 Общие требования безопасности
К обслуживанию механизмов могут быть допущены только те рабочие, которые изучили их устройство и инструкцию по эксплуатации. Перед включением следует удостовериться в исправности механизма и в том, что пуск его никому не угрожает опасностью. Обнаружив во время осмотра какие-либо неисправности в механизме или его предохранительных устройствах, рабочий должен сообщить об этом мастеру и до их устранения к работе не приступать.
Запрещается оставлять работающий механизм без присмотра. Даже при кратковременном отсутствии на рабочем месте следует остановить механизм и сообщить мастеру о своем уходе. Запрещается касаться движущихся частей механизма и облокачиваться на него; брать или передавать через работающий механизм предметы; чистить, смазывать, ремонтировать механизм на ходу. Недопустимо пользоваться перчатками и рукавицами при выполнении работ, если имеется опасность захвата их вращающимися частями. Если во время работы в механизм попал какой-либо предмет, доставать его, не отключив механизм, запрещается. Надо остановить механизм и медленно, вращая его вручную, освободить попавший в него предмет.
Не разрешается допускать на свое рабочее место лиц, не имеющих отношения к выполняемой работе, а также доверять работающий механизм другому рабочему.
6.2 Монтаж и демонтаж оборудования.
Станки, прессы и другое оборудование должны устанавливаться на прочных основаниях или фундаментах, тщательно выверяться и надежно закрепляться. В конструкции оборудования (станка, пресса и т. д.) и отдельных его частей необходимо предусматривать специальные рамы, болты, окна, кронштейны и другие устройства для быстрой, удобной и надежной строповки и безопасного перемещения во время погрузки, демонтажа и ремонта оборудования.
Устройства для строповки должны располагаться с учетом центра тяжести переносимого груза и при подъеме не должны повреждаться натянутыми цепями или тросами. Рым-болты, приливы, кронштейны, стенки, в, которых имеются окна под строповку, должны быть рассчитаны на прочность с учетом массы поднимаемого груза и возникающей во время транспортирования перегрузки.
При монтаже, демонтаже и ремонте оборудования; его узлов и агрегатов высотой более 1,5 м от уровня пола или рабочей площадки устраивают прочные и устойчивые подмости, леса и т. п. для безопасной работы на высоте. Рабочие места ремонтных слесарей должны быть оборудованы шкафами, верстаками, стеллажами.
Перед ремонтом оборудование отключают от электросети, а на пусковых устройствах вывешивают плакат с надписью «Не включать - работают люди».
7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ
Технико-экономическое обоснование выбора заготовки для обрабатываемой детали производят по нескольким направлениям металлоемкости, трудоемкости и себестоимости, учитывая при этом конкретные производственные условия. Технико-экономическое обоснование ведется по двум или нескольким выбранным вариантам. При экономической оценке определяют металлоемкость, себестоимость или трудоемкость каждого варианта изготовления заготовки, а затем их сопоставляют.
Технико-экономический расчет изготовления заготовки производят в следующем порядке:
1. Устанавливают метод получения заготовки согласно типу производства, конструкции детали, материалу и другим техническими требованиям на изготовление детали.
2. Назначают припуски на обрабатываемые поверхности детали согласно выбранному методу получения заготовки по нормативным таблицам или производят расчет аналитическим методом;
3. Определяют расчетные размеры на каждую поверхность заготовки;
4. Назначают предельные отклонения на размеры заготовки по нормативным таблицам в зависимости от метода получения;
Технико - экономические показатели изготовления детали.
Материал:
· Размер: М20
· Марка стали: Ст25
· Вес заготовки одной штуки = 0,313 кг
· Цена за 1 кг = 23-00 (руб.)
· Стоимость за единицу = 7-20 (руб.)
1.3аработная плата рабочего за единицу продукции составляет 5-72 (руб.).
2. Дополнительная заработная плата рабочего на единицу продукции составляет 1-43 (руб.).
3. Отчисление на социальное страхование составляет 1-99 (руб.).
4. Спецрасходы составляют 1-14 (руб.).
5. Цеховые расходы составляют 17-16 (руб.)
6. Общезаводские расходы составляют 11-44 (руб.)
7. Итоговая заводская себестоимость детали равна 46-08 (руб.)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основной целью проектирования технологического процесса является снижение себестоимости изделия и повышение производительности труда. Решение этой задачи должно производиться в соответствии с заданным типом производства. Проектирование нового технологического процесса должно включать в себя анализ исходных данных (определение служебного назначения изделия, анализ технических условий и технологичности конструкций), определение класса и группы детали, количественная оценка групп изделий, выбор исходной заготовки и метода ее изготовления, выбор технологических баз, составление технологического маршрута обработки, разработка технологических операций.
Технологический процесс для данной детали (винта) составлен наиболее рационально. Форма детали достаточно проста для обработки, для выполнения своих функций, рассматриваемая деталь получена с экономической точки зрения рационально.
Итоговая заводская себестоимость винта не велика.
Припуски определены расчетно-аналитическим методом, что дает получить экономию металла, уменьшить трудоемкость обработки и снизить себестоимость выпускаемой продукции.
Выбраны оптимальные режимы резания, что обеспечивает наибольшую производительность труда при наименьшей себестоимости операции при требуемом качестве обработки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курсовое проектирование по предмету “Технология машиностроения”, Добрыднев И.С., М.: Машиностроение 1985.
2. Технология конструкционных материалов, Дальский А.М., М.: Машиностроение 1985.
3. Охрана труда в машиностроении, Мазов В.А. М.: Машиностроение 1983.
Исходные заготовки для сортовых станов - блюмы - последовательно пропускают через ряд калибров. В зависимости от стадии процесса прокатки различают калибры обжимные (уменьшающие сечение заготовки), черновые (приближающие сечение заготовки к заданному профилю) и чистовые (дающие окончательный профиль). В качестве примера на рис. 7 показана система из 9 калибров для получения рельсов. После прокатки прутки разрезают на мерные заготовки и правят в холодном состоянии.
Рис. 7.
Производство листового проката.
Исходную заготовку - сляб - прокатывают (после второго нагрева) в толстый лист большей частью на станах с двумя рабочими клетями (черновой и чистовой), расположенными друг за другом. Перед черновой клетью сбивают окалину. Чистовая клеть кварто имеет рабочие валки меньшего диаметра, чем черновая. После прокатки листы правят и обрезают на заданные размеры.
Тонкие листы прокатывают в горячем и холодном состояниях. Горячую прокатку ведут на непрерывных многоклетьевых станах, имеющих 2 группы клетей (черновую и чистовую). Перед каждой группой в окалиноломателях очищают листы от окалины. Выходящий из чистовых клетей лист сматывается в рулон. Далее листы в рулонах передаются на отделочные операции (правку, разрезку и др.) или на дальнейшую холодную прокатку. С уменьшением толщины листов до определенной величины горячая прокатка сопровождается быстрым остыванием металла, растет сопротивление деформации и увеличиваются отходы металла в окалину из-за неизбежных частых подогревов. Поэтому листы тоньше 2 мм в горячем состоянии прокатывать сложно, и такие листы, как правило, получают холодной прокаткой, которая обеспечивает лучшее качество их поверхности и большую точность по толщине. Холоднокатаный лист катают из горячекатаного. Предварительно горячекатаный лист очищают от окалины травлением в кислотах и промывают. Прокатывают на непрерывных станах кварто и на многовалковых станах с применением смазки. Для снятия наклепа проводят промежуточный отжиг в печах с защитной атмосферой, после чего направляют на дальнейшую прокатку или на дрессировку (холодная прокатка с небольшим обжатием 0,5-5 % за один проход без смазки). В результате дрессировки повышается прочность, улучшается штампуемость и качество поверхности. Далее проводят отделочные операции: обрезка кромок, разрезка на мерные листы, нанесение антикоррозионных покрытий (цинк, олово, алюминий, пластмасса, лак), полирование и др.
Производство труб.
Бесшовные трубы. При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка - образование отверстия в круглой заготовке. Прошивку выполняют в горячем состоянии на прошивных станах (схема поперечно-винтовой прокатки, рис. 8, двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под углом (4-14°) друг к другу. Валки вращаются в одном и том же направлении. В результате этого заготовка 2 получает одновременно вращательное и поступательное движение. В зоне деформации заготовки преобладают радиальные растягивающие напряжения, что приводит к разрыхлению центральной части заготовки, образованию полости и облегчает прошивку отверстия оправкой 3, устанавливаемой на пути движения заготовки.
Вторую операцию - последующую прокатку полученной гильзы в трубу нужных диаметра и толщины стенки - производят на раскатных станах (схема продольной прокатки). Гильзу раскатывают между двумя валками 1 с последовательно расположенными круглыми калибрами и оправкой 2 (рис. 8). Оправку закрепляют на длинном стержне так, чтобы зазор между оправкой и калибром валка определял толщину стенки трубы. Перед прокаткой в следующем калибре трубу поворачивают на 90° . Бесшовные трубы по механическим, физическим, эксплуатационным свойствам превосходят литые и сварные, но значительно дороже.
Сварные трубы. Сварные трубы получают из плоской заготовки - ленты, называемой штрипсом , по следующей технологии: ленту сворачивают в трубу в формовочном непрерывном стане дуо с числом клетей от 5 до 12 (рис. 9).
Рис. 8.
При выходе из последней клети стана трубная заготовка поступает в электросварочный агрегат, где кромки трубы прижимаются друг к другу роликовыми электродами и свариваются. Далее трубу правят, калибруют, разрезают на мерные куски, производят другие отделочные операции. Кроме электросварки сопротивлением, применяют печную сварку, автоматическую электродуговую под флюсом, индукционную.
Рис. 9.
Рис. 10.
Проволочные станы бывают полунепрерывные и непрерывные и предназначены для прокатки проволоки-катанки диаметром 5-10 мм. Проволоку меньшего диаметра получают волочением.
Производство специальных видов проката
К специальным видам прокатки относят прокатку профилей периодического сечения, колес, шаров, колец и др. Периодические профили изготавливают, в основном, поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На рис. 10. показана схема стана поперечной прокатки.
Щуп 4 скользит по копировальной линейке 3, жестко связанной с кареткой 2 натяжного устройства. В зависимости от профиля копировальной линейки 3 рабочие валки 1 по мере ее движения сближаются или расходятся, изменяя соответственно диаметр прокатываемого профиля. Периодические профили применяют как фасонные заготовки для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку (полуоси автомобилей, ступенчатые валы и др.
На рис. 11, б дана схема стана поперечно-винтовой прокатки. Здесь валки 6 и 8 вращаются в одну и ту же сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 5 при прокатке получает вращательное и поступательное движение; от вылета из валков она предохраняется центрирующими упорами 7. Такие станы используют для прокатки заготовок шаров и сферических роликов подшипников качения. На рис. 11 показана последовательность изготовления железнодорожного колеса.
Рис. 3.19.
Исходной заготовкой являются слитки или прокат круглого сечения. После нагрева заготовку осаживают на гидравлическом прессе и прошивают отверстие (рис. 11, а); затем на более мощном прессе формируют в штампе ступицу, диск и контур обода (рис. 11, б). Полученная заготовка поступает на колесопрокатный стан, где раскатывают диск, прилегающий к ободу, раскатывают обод и окончательно оформляют гребень на ободе колеса (рис. 11, в).
Производство гнутых профилей.
Горячей прокаткой фасонных профилей невозможно получить стенки с толщиной менее 2-3 мм. Фасонные тонкостенные профили, легкие, но жесткие, сложной конфигурации и большой длины, можно получить методом холодной гибки листового материала на специальных гибочных роликовых станах. Станы имеют 6-20 последовательно расположенных клетей непрерывного типа. В каждой паре гибочных роликов меняется форма листовой заготовки, постепенно приобретая к последней клети заданную форму (рис. 12).
Площадь сечения не меняется. Толщина заготовок из листовой стали или цветных металлов 0,3-20 мм, а максимальная ширина 600-2500 мм.
Рис. 12.
При одних и тех же прочностных свойствах гнутые профили на 25-40 % легче горячекатаных фасонных профилей, что обусловливает их широкое применение в автомобильной и авиационной промышленности, в машиностроении и строительстве (рис. 13).
Рис. 13. Основные виды гнутых профилей: а, г - профили с элементом двойной толщины; б - профили замкнутого типа; в - гофрированные профили
Прокатный стан - это совокупность привода, шестеренной клети, одной или нескольких рабочих клетей. Прокатные станы классифицируют по трем основным признакам: по числу и расположению валков; по числу и расположению рабочих клетей; по их назначению. Прокатка металла осуществляется при прохождении его между валками, вращающимися в разных направлениях. При прокатке металл обжимается, в результате чего толщина полосы уменьшается, а ее длина и ширина увеличиваются.
Наблюдается переходна более новый качественный виток развития. Это обусловлено многими факторами: от создания, внедрения и развития прогрессивных технологий, в том числе и в сталеплавильном производстве, до изменения самой концепции в отношении к прокатному производству. Одним из наиболее важных факторов данного развития в прокатном производстве является возникшая возможность осуществлять абсолютный контроль температурно-деформационным процессом при прокатке на станах последнего поколения. Данная тенденция наиболее ярко проявляется на прокатных станах, предназначенных для производства катанки и мелкого сорта. Постараемся оценить, чем это обусловлено, учитывая возможности, которые предоставляет использование новых подходов в технологии прокатки катанки. В процессе горячей прокатки происходит высокотемпературная термомеханическая обработка металла (ТМО). Однако под ТМО, как правило, понимается не только физическая сущность процесса, но и целенаправленное комплексное воз действие на структуру металлического сплава совокупностью операций деформации, нагрева и охлаждения, в результате которых и происходит формирование окончательной структуры металлического сплава, а, следовательно, и его свойств. Существует большое количество разновидностей термомеханической обработки стали. Их можно разделить на следующие группы:
- Режимы термомеханической обработки, при которых деформация осуществляется в аустенитном состоянии. К этой группе относятся наиболее известные и изученные методы упрочнения: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).
- Термомеханическая обработка с деформацией в ходе превращения переохлажденного аустенита.
Режимы термомеханической обработки, связанные с деформацией, осуществляемой после превращения аустенита в мартенсит или бейнит. Примером такой обработки является метод упрочнения, связанный с деформационным старением мартенсита. Для упрочнения стали могут применяться различные комбинации режимов термомеханической обработки, например ВТМО с НТМО, ВТМО с деформационным старением мартенсита и др. Термомеханическая обработка чаще всего является окончательной операцией при изготовлении деталей. Но она может использоваться и как предварительная операция, которая обеспечивает формирование благоприятной структуры при проведении окончательной термической обработки, включающей закалку на мартенсит и отпуск. Традиционно при рассмотрении задачи достижения требуемых свойств в готовой продукции из металлического сплава используют влияние химических элементов на свойства металла и термическую обработку. При этом формирование структуры при нагреве, а в особенности при прокатке, долгое время оставалось «черным ящиком». А ведь именно эти процессы влияют на формирование структуры в готовой продукции. На практике технологи использовали для получения необходимых механических свойств, в готовом прокате применяли только такие механизмы при изготовлении сталей как легирование и термообработка. В качестве примера приведем недостатки использования традиционных способов изготовления готового проката из рядовых марок сталей. У данного класса сталей структура состоит из феррита с известной незначительной долей перлита. При желании получать менее металлоемкие конструкции и изделия из стали, обладающие повышенной надежностью при низкой себестоимости изготовления, встает проблема повышения прочности проката, полученного в горячекатаном состоянии. Если для увеличения прочности используют только повышение доли перлита путем повышения содержания углерода, то эта возможность ограничена, так как с увеличением прочности благодаря повышению содержания углерода пластичность, вязкость и свариваемость стали резко снижаются, что приводит к отказу от данного проката, так как наряду с прочностью в прокате необходимо также обеспечение вышеперечисленных свойств металла. Изготовление проката из высоколегированных сталей приводит к резкому удорожанию готовой продукции в связи с высокой ценой легирующих элементов и ухудшением технологичности переработки (дополнительная зачистка и т.д.). Дополнительная термообработка после прокатки, такая как закалка+отпуск, позволяет получить повышение прочностных и пластических свойств стали, но этот эффект можно получить только для низколегированных марок сталей. При этом также происходит увеличение себестоимости готовых изделий из стали. Первым шагом использования особого состояния горячекатаного проката, полученного в процессе деформации, явилось использование установок ускоренного охлаждения после прокатки, в особенности применение водяного охлаждения. Использование данной технологии непосредственно в линиях прокатки позволило снизить влияние полного протекания процессов рекристаллизации, ранее формировавших структуру и механические свойства в готовом прокате.
Следующим шагом в повышении механических свойств стало использование так называемого процесса контролируемой прокатки с использованием принципов термомеханической обработки. Рассмотрим более подробно использованием данных принципов в процессе ТМО. В зависимости от того, как проводить прокатку и нагрев в первую очередь зависит эффективность влияния химического состава и термообработки на конечные свойства металлопроката. Химический состав оказывает большое влияние на изменения структуры и в процессе ТМО, и его влияние на механические свойства должно рассматриваться с позиций всех этапов обработки металла: от нагрева до охлаждения. Термическая обработка с прокатного нагрева лишь фиксирует состояние структуры, полученной на прокатном стане, и хотя здесь существует множество вариантов ее проведения с получением различных комплексов свойств, повышение их значений ограничено данной структурой в процессе прокатки. Термическая обработка вне прокатного стана с удорожанием энергоносителей становится все более нецелесообразной. Ряд режимов термомеханической обработки могут обеспечить наряду с высокими прочностными свойствами повышенную пластичность и вязкость. Нередко использование ТМО позволяет получить комплекс механических свойств, который не может быть достигнут способами обычной термической обработки и традиционного легирования. Изменяя условия деформирования при ТМО, можно регулировать плотность и характер распределения дефектов кристаллического строения, что позволяет управлять структурой и свойствами стали в широких пределах. Именно эти причины и явились основанием столь быстрого развития и заинтересованности, производителей металлопродукции процессом ТМО. Необходимо отметить перспективность развития процесса ТМО при производстве катанки. Это обусловлено особенностями производства и геометрическими размерами (высокие скорости деформации и особо малое сечение в отличие от других видов металлопродукции получаемых путем горячей прокатки). Дело в том, что только при прокатке катанки для большого марочного сортамента возможно осуществление и управление процессами горячего наклепа и рекристаллизации, что из-за отсутствия высоких скоростей деформации при производстве других видов проката неосуществимо в линии прокатки, либо возможно при наложении определенных ограничений (ограниченный марочный сортамент,как правило, стали аустенитного класса или низкие температуры прокатки). Это позволяет управлять прочностными свойствами горячего проката, а высокая степень деформации в совокупности с химсоставом и термообработкой пластическими. К особенностям прокатки катанки можно отнести еще один очень важный с позиций термомеханической обработки фактор — время между деформациями может достигать очень малых значений, в особенности в последних клетях, вплоть до 0,0005 с. Для сохранения структуры, полученной в процессе ТМО, большое значение имеет способ осуществления охлаждения после прокатки. При этом возникают две задачи: транспортирование проката к охлаждающему устройству и охлаждение металла по всему сечению для обеспечения равномерности структуры, а, следовательно, и свойств по сечению готового проката. Небольшое поперечное сечение катанки (диаметр до 8 мм) позволит нам рассматривать его как термически тонкое тело.
Таким образом, получив необходимую структуру на прокатном стане, мы можем ее зафиксировать во всем поперечном сечении и по всей длине, что улучшает однородность свойств и качество горячего проката. При необхо димости, изменяя интенсивность охлаждения после прокатки, можно также добиться различной структуры по слоям поперечного сечения и получить определенные свойства. Так как скорость отвода тепла в большем сечении из внутренних слоев ограничена, то сохранить преимущества наведенной структуры в процессе прокатки проблематично, а иногда и вовсе невозможно. При проведении эксперимента на прокатном стане наиболее важным моментом является учет наиболее влияющих на структуру факторов. Для этого необходимо осуществить математическое моделирование процесса прокатки, позволяющее определять значения влияющих на структуру параметров. Для последующей оценки их влияния на структуру могут быть использованы такие уже известные данные как:
- влияние температуры и выдержки в печи на рост зерна в заготовке;
- влияние величины зерна и температуры металла на превращения из аустенита;
- изменение структуры горячедеформированного аустенита при последеформационной выдержке;
- структурообразование при горячей
прокатке.
Для определения влияния параметров прокатки на структуру горячедеформированного металла необходимо создание термокинетической модели проволочного стана, на котором проводится эксперимент. На основании чего, исходя из скорости конца прокатки и промежуточных температур в линии стана, определяются значения: скорости деформации; температуры деформации; время между деформациями. При осуществлении процесса контролируемой прокатки температурный режим является одним из наиболее важных факторов в целенаправленном воздействии на структуру и конечные свойства в производстве катанки. Существует несколько путей непосредственного регулирования температуры раската в процессе прокатки: изменение температуры нагрева, регулирование скоростью прокатки, межклетевое охлаждение и нагрев раската. Чаще всего для воздействия на температуру раската во время прокатки используют два первых рычага воздействия. Для применения межклетевого охлаждения и нагрева необходима установка
дополнительного оборудования. Помимо этого требуется предварительная оценка возможностей охлаждения (при скоростях прокатки выше 30 м/с и межклетевом расстоянии не более 1 м — время для обеспечения необходимого теплосъема ограничено). Также большой задачей является знание влияния температурных полей раската в процессе прокатки для определенного марочного сортамента на структуру металла, в частности
на величину зерна. При использовании управления над температурой прокатки необходимо учитывать, что диапазон возможного регулирования имеет определенные ограничения. От теплового режима зависят энергосиловые параметры прокатного стана, усилия, действующие на валки (шайбы) и другие детали рабочих клетей, точность размеров профиля, форма и качество поверхности готового проката, стойкость прокатных валков, стабильность всего технологического процесса. При этом он непосредственно связан с режимами обжатий, скоростей и натяжений. На большинстве прокатных станах не производится непосредственное измерение температуры промежуточного раската во всей длине стана. Это связано как с дороговизной установки, так и условиями эксплуатации приборов, что зачастую не позволяет точно определить температуру металла, может приводить к поломке измерительной техники при аварийном отклонении металла от линии прокатки. Также при использовании междеформационного охлаждения даже определение температуры поверхности раската не дает точную картину о среднемассовой температуре металла, которая, в свою очередь, является наиболее значащей для оценки вышеуказанных параметров. Температура при прокатке металла распределена по сечению не равномерно, а так как непосредственным измерением это распределение определить не имеется возможности, то целесообразно прибегать к расчету тепловых характеристик. Тепловой режим рассчитывается с учетом теплового баланса, зависящего от всех видов теплообмена, имеющих место при горячей прокатке: потеря тепла теплопроводностью при контакте с шайбами и водяным охлаждением, конвекцией и излучением. Наибольшей проблемой определения теплопереноса при прокатке является установление закономерностей изменения температур в любой точке раската в течение времени от нагрева до получения готовой катанки. Изменение температуры раската во время прокатки связано с протеканием всех видов тепловых процессов: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При этом каждый из видов теплопереноса вносит свой вклад, который не всегда удается точно установить. Деформация металла путем прокатки с позиции теплопереноса состоит из большого количества различных этапов (циклов). На каждом таком этапе действуют определенные процессы со свойственными только для данного участка условиями. Результирующий эффект сложного теплопереноса зависит не только от интенсивности конкретных видов переноса, но и от особенностей их взаимодействия (последовательного или параллельного, стационарного или нестационарного). В отличиe от стационарного режима, при котором температурное поле не изменяется во времени, тепловой процесспрокатки характеризуется как нестационарный. При этом температурное поле раската является функцией времени. Нестационарный процесс связан с изменением энтальпии во времени. При этом интенсивность отвода теплоты непостоянна во времени. Решить задачу нестационарной теплопроводности — это значит найти зависимости изменения температуры и количества переданной теплоты во времени для
любой точки тела. Каждый из процессов нестационарного теплообмена описывается системой дифференциальных уравнений. Однако данные уравнения описывают бесчисленное множество процессов теплоотдачи, выведенные из рассмотрения элементарного участка в физическом теле. Чтобы решить конкретную задачу, связанную с изменением температуры металла при прокатке, необходимо на каждом этапе рассмотреть протекающие тепловые и дать полное их математическое описание всех частных особенностей, свойственных для данного случая. Для этого необходимо решать систему дифференциальных уравнений при определении следующих краевых условий:
- Геометрические условия, характеризующие форму и размеры раската.
- Физические условия, характеризующие физические свойства среды и раската.
- Граничные условия, характеризующие особенности протекания процесса
на границах тела.
- Временные условия, характеризующие особенности протекания процесса
во времени.
Решение данной системы уравнений позволит получить описание поля температур раската на любом участке прокатного стана в любой момент времени. Данная задача определения температурных полей по сечению раската в любой момент прокатки была решена для мелкосортнопроволочного стана 300 No3 ОАО «ММК». В качестве примера
приведена диаграмма на рисунке 1 распределения температуры по сечению
промежуточного раската. Использование результатов данной модели позволило оценить существующий температурно-деформационный режим
прокатки, а путем изменения основных факторов прокатки — прогнозировать и получать необходимый режим с позиции формирования необходимой структуры. С целью получения нового уровня свойств на катанке предназначенной для армирования, на ОАО «ММК» на стане 250#2 были проведены исследования с использованием температурно деформационной модели и вновь установленной установки водяного охлаждения. Установка в 2004 году новой линии водяного охлаждения на стане 250#2 (производства НПП «Инжмет») позволила провести экспериментальные исследования с целью получения термомеханически упрочненной арматуры малых диаметров. Получение термомеханически упрочненной арматуры на стане 250No2 заключалась в проведении процесса закалки поверхностного слоя катанки в линии водяного охлаждения, расположенной после чистовой клети No16 в потоке прокатного стана. Далее прокат укладывается моталкой в виде витков на сетчатый транспортер, после чего собирается на виткосборнике в бунты массой до 300 кг. Охлаждение осуществляется с помощью форсунки высокого давления и в последовательно расположенных трубках, на входе и выходе которых охлаждение катанки прерывается отсечными устрой ствами. Длина активной зоны охлаждения зависит от диаметра прокатываемой катанки и может составлять ≈ 7,2 м и ≈9,7 м.
Термомеханическое упрочнение катанки можно условно разделить на три этапа. На первом этапе катанка, выходящая из чистовой клети No16, попадает в линию термоупрочнения, где подвергается интенсивному охлаждению водой. Данный процесс должен обеспечивать охлаждение поверхности катанки со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, необходимую для получения в поверхностном слое катанки структуры мартенсита. Однако при этом технология процесса термоупрочнения должна обеспечивать такую температуру в центральных слоях катанки, при которой сохраняется аустенитная структура во время охлаждения. Этот процесс можно выделить во второй этап, который позволит при дальнейшем ее охлаждении со скоростью меньшей критической скорости получить в сердцевине катанки феррито-перлитную структуру, что обеспечит высокую пластичность полученной арматуры (рис. 2). На третьем этапе высокая температура центральных слоев катанки после окончания операции интенсивного охлаждения будет способствовать протеканию процесса самоотпуска закаленного поверхностного слоя. Данный процесс, в свою очередь, также позволяет повысить пластичность поверхностного слоя при сохранении его высокой прочности
Металл, расположенный между поверхностным и центральным слоем, имеет промежуточную скорость охлаждения, которая приводит к получению слоя с бейнитной структурой. В результате такого охлаждения получается, что катанка в поперечном сечении представляет собой две зоны в виде кольца: с мартенситной и бейнитной структурой и феррито-перлитной в центральной
части. В результате опытных прокаток на стане 250#2 была получена катанка с указанной структурой (рис. 3).
Исследование структуры шлифов термомеханически упрочненной катанки
показало у полученного проката, как правило, наличие одного или нескольких подкаленных слоев серповидной формы. Это, по видимому, связано с тем, что охлаждение производится только одной форсункой в один цикл охлаждения. В таких условиях при возникновении ситуации «случайного» омывания какой-то одной области проката в единственной камере охлаждения в дальнейшем отсутствует возможность проведения еще нескольких циклов охлаждения, которые позволили бы произвести более равномерное охлаждение катанки по сечению. Дальнейшее охлаждение катанки на сетчатом транспортере без осуществления направленной продувки воздухом также приводит к неравномерному температурному полю как по сечению, так и по длине бунта катанки. Также из опыта проведенных
прокаток было выявлено изменение температуры катанки после водяного охлаждения по длине бунта (изменение температуры по одному бунту
∆Т=30—50 °С). Так как время и условия охлаждения по всей длине бунта одинаково, был сделан вывод, что причиной данной разницы температур является неравномерность нагрева по длине заготовок в нагревательной печи прокатного стана.
Измерение температуры заготовки на выходе из печи и после черновой группы (изменение температуры составляло ∆Т=50—80 °С) впоследствии подтвердили это предположение. Перичисленные выше факторы в итоге приводят к большой неравномерности структурных составляющих по длине проката, что напрямую обуславливает значительный разброс (до 50—80 Н/мм2) механических свойств в пределах партии. Такая структура в катанке из рядовых низкоуглеродистых марок стали, позволяет получить уникальный комплекс механических свойств: высокий предел текучести при хорошей пластичности, что не всегда можно получить даже на катанке из некоторых низколегированных марок стали при стандартной прокатке и охлаждении на воздухе (рис. 4). Получение вышеуказанной катанки требует точного соблюдения технологии термоупрочнения. Настройка линии водяного охлаждения зависит от множества факторов: марки стали, необходимых механических свойств, диаметра катанки, состава оборудования линии охлаждения, настройки форсунки высокого давления, скорости прокатки, расхода и давления воды (рис. 5).
Для определения технологических параметров в зависимости от перечисленных факторов были проведены экспериментальные исследования с измерением температуры самоотпуска. От полученных во время экспериментальных прокаток бунтов катанки отбирались пробы для механических испытаний и металлографического анализа полученной микроструктуры. Полученные результаты показывают, что существует достаточно большой диапазон изменения механических свойств. При этом наблюдается такая же тенденция как при повышении содержания углерода в углеродистых марках стали: при повышении прочностных свойств — уменьшаются пластические (рис. 5).
Исходя из марочного сортамента, уровня механических свойств и номинального диаметра, возможно получение оптимального технологического режима, удовлетворяющего запросы потребителей. Одной из наиболее перспективной областью применения термомеханически
упрочненной арматуры малых диаметров является использование ее для
связки арматурного каркаса в высокопрочных железобетонных плитах. Областью применения данной арматуры могут в перспективе быть и другие различные ж/б конструкции, фундаменты и т.д. На сегодняшний день это может обеспечить совершенствование нормативно-технической документации (ГОСТ, ТУ и т.д.) и исследование возможностей использования этого нового вида продукции. Проведенные исследования позволили определить основные параметры процесса термомеханического упрочнения катанки малых диаметров. Впоследствии при пуске на ОАО «ММК» стана 170 после адаптации полученных результатов к условиям прокатки на новом стане позволит освоить данный сортамент при массовом производстве.
ВЫВОДЫ
- Рассмотрены процессы, происходящие при деформации металла в горячем состоянии. Определены факторы, наиболее влияющие на формирование структуры металла после деформации.
- Показана перспективность развития процесса ТМО при производстве катанки с учетом ее геометрических размеров и особенностей производства: особо малое сечение и высокие скорости деформации в отличие от других видов металлопродукции получаемых путем горячей прокатки.
- Показаны результаты использования такого инструмента, как моделирование температуры с целью получения необходимых механических свойств катанки при горячей прокатке с учетом существующих технологических возможностей стана, а также с точки зрения влияния горячей пластической деформации и химического состава на структуру.
- Приведены результаты применения использования термомеханической обработки при прокатке на структуре готовой катанки.
Основным оборудованием прокатных цехов являются прокатные станы. Заготовку в прокатном производстве называют полосой.
Схема расположения технологического оборудования прокатного стана зависит от вида выпускаемой продукции. На рис. 3.23 приведена схема производства изделий сортового проката. Исходной заготовкой в этом случае является стальной слиток массой до 60 т. Слиток нагревают в нагревательных колодцах 1 и подают на слитковоз, который привозит и укладывает слиток 2 на приемный рольганг блюминга 3. После прокатки на блюминге получают полупродукт квадратного сечения (от 140х140 до 400х400 мм), называемый блюмом 4. Блюм, двигаясь по рольгангу, проходит машину огневой зачистки, где производится зачистка поверхностных дефектов, и подается к ножницам, где режется на мерные заготовки. Далее блюм поступает (иногда после дополнительного нагрева) на заготовочный стан 5, где производится прокатка на блюмы сечением от 50х50 до 150х150 мм, и затем - непосредственно на сортопрокатный стан. Для получения требуемого профиля заготовка проходит ряд клетей с калиброванными валками. На рис. 3.23 представлено полунепрерывное расположение клетей сортопрокатного стана. В первой группе (6, 7, 8) заготовка прокатывается непрерывно, т.е. находится в них одновременно, а во второй группе (9, 10) осуществляется последовательная прокатка.
На сортовых станах заготовка последовательно проходит через ряд калибров. Разработка системы последовательных калибров, необходимых для получения того или иного профиля, является сложной задачей. Число калибров зависит от сложности профиля и разности размеров поперечных сечений исходной заготовки и конечного изделия. Так для получения рельсов необходимо пропустить полосу через систему из девяти калибров (рис. 3.24).
Рис. 3.23. Схема производства сортового проката:
1- нагревательный колодец, 2- слиток, 3- блюминг, 4- блюм, 5- заготовочный стан, 6,7,8,9,10- клети сортопрокатного стана
Полученный прокат требуемого профиля разрезают на заданную длину, охлаждают, правят в холодном состоянии, обрабатывают термически и удаляют поверхностные дефекты.
Технология производства листового проката аналогична. Нагретый слиток прямоугольного сечения обрабатывают на обжимных и заготовительных станах. Далее полосу прокатывают в многовалковых клетях листопрокатных станов.
Рис. 3.24. Калибры для прокатки рельсов
Трубопрокатные станы применяют для производства бесшовных и сварных труб. Прокатка бесшовных труб включает две стадии: получение пустотелой гильзы из круглого проката и из пустотелой гильзы готовой трубы. Пустотелые гильзы получают на прошивном стане, а для труб большого диаметра - центробежным литьем. Прошивной стан (рис. 3.25) работает по принципу поперечно- винтовой прокатки. Он имеет два бочкообразных рабочих валка, расположенных под углом 4 … 6° относительно друг друга. Валки вращаются в одном направлении. Для удержания заготовки между рабочими валками имеются направляющие линейки или холостые валки. При вращении рабочих валков заготовка втягивается в зону деформации. По мере продвижения заготовки зазор между валками уменьшается, а окружная скорость на ее поверхности возрастает. Это приводит к скручиванию заготовки, уменьшению ее диаметра и появлению в металле больших внутренних напряжений. Металл в центре заготовки становится рыхлым и сравнительно легко прошивается оправкой.
Для получения из пустотелой гильзы готовой трубы ее прокатывают на пилигримовом стане (рис. 3.26, а). Рабочие валки 3 пилигримового стана вращаются в разные стороны с одинаковой скоростью. При этом направление вращения валков противоположно направлению подачи заготовки 1. Профиль валков переменный, вследствие чего сечение калибра, имеющего форму окружности, непрерывно изменяется при каждом обороте валков. При максимальном размере калибра заготовка с оправкой 2 продвигается в валки на величину подачи. Зев калибра валков 3 захватывает часть гильзы и обжимает ее своей рабочей частью (рис. 3.26, б). После того как валки сделают полный оборот и возвратятся в исходное положение, оправку с заготовкой поворачивают на 90° и снова подают в валки для обжатия. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет прокатана вся гильза. Дальше трубы обрабатывают на специальной машине для устранения овальности и разностенности, а затем прокатывают на калибровочном стане для получения окончательных размеров.
Существуют и другие способы прокатки труб, в частности автоматический трубопрокатный стан.
Сварные трубы, диаметр которых достигает 2500 мм, значительно дешевле бесшовных, но менее прочны и долговечны. Для изготовления сварных труб используют плоские горячекатаные полосы (штрипсы), свернутые в рулон 1 (рис. 3.27). Для обеспечения непрерывности процесса передний конец штрипса сваривается с задним концом предыдущего рулона.
Рис. 3.27. Схема производства труб непрерывной печной сваркой:
1- рулон заготовки, 2- правúльная машина, 3- нагревательная печь, 4- формовочно- сварочный стан, 5,6- обжимные клети
Процесс состоит из операций свертывания заготовки в трубу, сварки, калибровки, отделки и правки. Подача концов штрипсов к месту сварки производится при помощи тянущих роликов листоправильной машины 2. Непрерывный штрипс проходит через нагревательную печь тоннельного типа 3, где нагревается до температуры 1320 … 1400 °С. По выходе из печи с поверхности штрипса удаляют окалину (сжатым воздухом). Непосредственно за печью устанавливают многоклетьевой формовочно - сварочный стан 4, в клетях которого штрипс сворачивается в полный круг по схеме показанной на рис. 3.28. Затем кромки сжимаются и свариваются. В последующих клетях 5,6 происходит обжатие трубы до требуемого размера. Для сварки труб применяют печной, электрический и газовый нагрев кромок полосы. Собственно процесс сварки кромок сформованной трубной заготовки представляет собой процесс кузнечной сварки, заключающейся в использовании способности к межатомному сцеплению сдавливаемых поверхностей металлов, нагретых до высокой температуры. Трубы большого диаметра изготовляют преимущественно с применением автоматической дуговой сварки под флюсом.
В настоящее время большое распространение получил также способ изготовления труб свертыванием полосы по спирали.
Технологии изготовления специальных видов проката разнообразны. Наиболее часто используют прокатку периодических профилей, которые применяют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку. Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. Используют также специальные станы, одна из схем которых приведена на рис. 3.29. Здесь заготовка деформируется тремя валками, вращающимися в одном направлении. Валки по мере движения копировальной линейки сближаются или расходятся, изменяя диаметр прокатываемой заготовки по длине.
На станах поперечно-винтовой прокатки изготавливают также заготовки шаров и сферических роликов подшипников качения (рис. 3.30). Валки 2 и 4 здесь вращаются в одну и ту же сторону. Ручьи валков, образующих калибры соответствующей формы, выполнены по винтовой линии. Заготовка 1 при прокатке получает вращательное и поступательное движения. Удерживается она в зоне деформации с помощью центрирующих упоров 3.
ПРЕССОВАНИЕ
Прессование-это вид обработки металлов давлением, позволяющий изготавливать разнообразные профили из черных и цветных металлов постоянного поперечного сечения по длине (рис. 3.31). При прессовании металл заготовки деформируется с помощью инструментальной оснастки, состоящей из матрицы, пуансона и контейнера (рис. 3.32). Прессование заключается в продавливании с помощью пуансона 1 через отверстие в матрице 4 заготовки 3, находящейся в замкнутой полости (контейнере) 2. Форма и размеры прессованного профиля определяются конфигурацией отверстия матрицы.
Прессование называют также выдавливанием. Процесс прессования, выполняемый по схеме, представленной на рис. 3.32, называется прямым. В этом случае направление выхода металла через отверстие матрицы совпадает с направле нием движения пуансона.
При обратном прессовании (рис. 3.33) металл заготовки 3 вытекает в направлении, обратном перемещению пуансона 5. Для этого матрицу 4 устанавливают в конце полого пуансона, а заготовку 3 помещают в глухой контейнер 2, запирают упорной шайбой 1 и при прессовании остается неподвижной. Трение металла о поверхность контейнера снижается, в связи с чем обратное прессование, которое называют еще встречным, требует меньших усилий.
Прессованием изготовляют не только сплошные профили, но и полые (рис. 3.34). В этом случае заготовка 4, размещенная в контейнере 2, сначала прошивается иглой 6, проходящей через полый пуансон 1. При дальнейшем перемещении пуансона 1металл выдавливается в виде трубы через кольцевой зазор между стенками отверстия в матрице 5 и иглой 6.
В последнее время находит применение гидравлический метод прессования, который называют еще гидроэкструзией (рис. 3.35). Заготовка 5, помещенная в контейнере 3, плотно заходит в конус матрицы 7. Контейнер закрывают крышкой 1 с затвором 2 и уплотняют прокладками 8. Через отверстие 4 в контейнер нагнетается жидкость 6 под высоким давлением, которая выдавливает заготовку через матрицу. В данном случае металл заготовки находится в состоянии всестороннего сжатия жидкостью и деформируется с минимальными потерями на трение. Этот способ позволяет обрабатывать очень хрупкие сплавы.
Исходной заготовкой при прессовании обычно является слиток или прокат. Для повышения качества поверхности изделия и снижения величины трения заготовку предварительно обтачивают на станке, а после нагрева поверхность очищают от окалины.
При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию. При такой схеме деформирования металл наиболее пластичен. Степень деформации при прессовании характеризуется коэффициентом вытяжки. Он определяется как отношение площади сечения заготовки к площади сечения прессуемого профиля. Вытяжка при прессовании составляет 10 … 50. Прессованием обрабатывают как пластичные, так и малопластичные сплавы: медные, алюминиевые, магниевые, титановые, углеродистые и легированные стали и т.п. Первые из них деформируют без нагрева, вторые в горячем состоянии.
Сортамент прессованных профилей очень разнообразен. Среди прочего таким способом изготавливают проволоку диаметром 5 … 10 мм, прутки диаметром 3 … 250 мм, трубы диаметром 20 … 400 мм со стенкой толщиной 1,5 … 12 мм, профили с полкой толщиной 2 … 2,5 мм и линейными размерами поперечных сечений до 200 мм.
К числу главных преимуществ, которыми отличается процесс прессования, следует отнести следующие.
1) Точность изделий выше, чем при прокатке, что позволяет использовать их без дальнейшей механической обработки.
2) Высокая производительность процесса (скорость выдавливания изделия из отверстия матрицы в некоторых случаях может достигать 20 м/с).
3) Возможность получения сложных профилей, которые невозможно получить другими видами обработки металлов давлением.
4) Прессованием можно обрабатывать такие сплавы, которые ввиду низкой пластичности другими видами обработки давлением деформировать невозможно или затруднительно.
5) Гибкость процесса и легкость переналадки на изготовление другого профиля, т.к. для этого требуется только замена матрицы.
6) Достаточно высокое качество поверхности при холодном прессовании, что позволяет отказаться от отделочных операций.
Прессование имеет и недостатки.
1) наличие отходов металла, так как весь он не может быть выдавлен из контейнера и в нем остается так называемый пресс-остаток, который после окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс – остатка обычно составляет 8 … 12%, но в некоторых случаях может быть и очень большой. Так при прессовании труб большого диаметра масса пресс – остатка может достигать 40% массы исходной заготовки.
2) Большой износ инструмента, т. к. работает он в исключительно тяжелых условиях, испытывая кроме больших давлений действие высоких температур.
3) Высокая стоимость инструмента для прессования, т.к. изготавляют его из высококачественных инструментальных сталей и жаропрочных сплавов.
ВОЛОЧЕНИЕ
Волочение это вид обработки металлов давлением, при котором формоизменение заготовки 2 осуществляется за счет ее протягивания через постепенно сужающееся отверстие в специальном инструменте, называемом волочильной матрицей 1 (рис. 3.36). При этом уменьшается площадь поперечного сечения заготовки и увеличивается ее длина. Изделие приобретает профиль, соответствующий конфигурации отверстия матрицы.
Волочением обрабатывают катанные и прессованные заготовки из стали, цветных металлов и их сплавов как в горячем виде, так и в холодном. В результате получают самые разнообразные профили (рис. 3.37). В отличие от прессования волочением невозможно получить пустотелый профиль (трубу) из заготовки сплошного поперечного сечения. В этом случае необходимо иметь пустотелую заготовку. Волочением труб по схеме, указанной на рис. 3.36 (т.е. с помощью только матрицы), не удается изменить толщину стенки изделия. При необходимости деформирования стенки пустотелой заготовки внутрь ее помещают дополнительный инструмент – оправку. Оправки бывают подвижными (недеформируемыми и деформируемыми) (рис. 3.38 а, б), закрепленными (рис. 3.38 в) и самоустанавливающимися (рис. 3.38 г). Применение оправок позволяет также повысить качество внутренней поверхности трубы.
Особенностью процесса волочения является приложение постоянного растягивающего усилия к части заготовки, вытягиваемой из матрицы. Для предотвращения ее обрывов необходимо создать условия, при которых формоизменение заготовки будет происходить только в зоне деформации, расположенной внутри матрицы. Пластическая деформация переднего конца изделия должна быть исключена. Это достигается конструкцией отверстия матрицы, выбором размеров заготовки и подбором смазки. Для того, чтобы заготовку не оборвало, необходимо добиться, чтобы растягивающие напряжения в ней не превышали величины 0,6 σ В (временного сопротивления) материала заготовки. Количественно деформацию при волочении можно оценить коэффициентом вытяжки - отношением площади исходного попереч ного сечения к конечному.
В связи с тем, что на выходящем из волочильной матрицы конце изделия пластическая деформация недопустима, величина коэффициента вытяжки ограничена, и при обработке в холодном состоянии не должна превышать за один проход значения 1,05 … 1,5. В связи с низким коэффициентом вытяжки обычно для получения необходимых размеров профилей процесс волочения повторяют многократно через ряд постепенно уменьшающихся отверстий, а для восстановления пластичности металл, упрочненный волочением, подвергают промежуточному рекристаллизационному отжигу после одного - двух переходов.
Сортамент изделий, изготовляемых волочением, очень разнообразен. Это проволока диаметром 0,002 … 10 мм, разнообразные фасонные профили, примеры которых показаны на рис. 3.37, прутки диаметром 3 … 150 мм, трубы диаметром от капиллярных до 500 мм и с толщиной стенки 0,1 … 10 мм, сегментные, призматические и фасонные шпонки, шлицевые валики.
Инструментом для волочения являются волочильные матрицы и оправки. Их изготавливают из инструментальных сталей, металлокерамических и минералокерамических сплавов и технических алмазов (для волочения проволоки диаметром менее 0,2 мм).
Волочение производят на волочильных станах. Они бывают периодического и непрерывного действия. Из станов периодического действия наиболее распространены цепные станы (рис. 3.39). Конец заготовки 7 пропускается через отверстие в матрице 8и захватывается клещами 6, которые закреплены на каретке 5. Перемещение каретки по станине 1 происходит при зацеплении крюка 2 за ось бесконечной пластинчатой цепи 3, приводимой в движение от электродвигателя. Когда изделие выходит из матрицы, натяжение между крюком и цепью уменьшается и противовес 4 поднимает крюк и отсоединяет его от цепи.
Станы периодического действия просты в устройстве и эксплуатации, однако длина обрабатываемой здесь заготовки невелика (6 … 7 метров), а скорость процесса небольшая - 10 … 20 м/мин.
Станы непрерывного действия более быстроходны и позволяют обрабатывать заготовки длиной десятки тысяч метров.
Из непрерывных станов чаще всего встречаются барабанные (рис. 3.40). Такие станы обрабатывают заготовку 1, свернутую в бухту. Бухту размещают на размоточном столе 2, передний конец заготовки пропускают через волочильную матрицу 3 и закрепляют на барабане 4, который приводится в движение с помощью электродвигателя 6 через привод 5. Стан включают и осуществляют процесс волочения, причем изделие также сматывается в бухту на барабане. Это обеспечивает компактность обрабатываемого материала, что очень важно при транспортировке, хранении и термообработке. Кроме этого снижаются технологические отходы, а скорость процесса увеличивается в среднем до 10 м/с (известны барабанные станы для волочения тонкой проволоки, осуществляющие процесс со скоростью до 40 м/с). Кроме однобарабанных станов, существуют многобарабанные конструкции (рис. 3.41). Их называют также станами многократного волочения. Здесь заготовка 4 последовательно проходит через несколько (до 20) волочильных матриц 5. Заготовка после прохождения через отверстия каждой матрицынаматывается на промежуточные тянущие барабаны 3, а затем на приемный барабан (на схеме не показан). Скорость вращения каждого последующего барабана возрастает пропорционально удлинению заготовки.
Технологический процесс волочения включает следующие основные операции.
1) Предварительная термическая обработка - рекристаллизационный отжиг, с целью повышения пластичности металла.
2) Очистка заготовки от окалины (металл протравливают в растворах кислот и затем последовательно промывают горячей и холодной водой).
3) Покрытие поверхности заготовки тонким слоем гидрата окиси железа или медью, фосфатом, известью для удержания смазки на поверхности металла.
4) Заострение концов заготовки для удобства протягивания ее через отверстие и захвата клещами волочильного стана.
5) Волочение в один или несколько проходов в зависимости от требуемой степени деформации.
6) Межоперационная термическая обработка для снятия наклепа (после термической обработки - очистка заготовки и нанесение подсмазочного слоя).
7) Отделка готовой продукции.
Процесс волочения имеет следующие достоинства.
1) Высокая точность геометрических размеров изделия, определяемая только размерами отверстия матрицы (допуск 0,02 мм).
2) Высокое качество поверхности соизмеримое со шлифованием при обработке резанием.
3) Высокая производительность. Скорость волочения проволоки на станах непрерывного действия достигает 10 м/с, а для тонкой проволоки – 40 … 50 м/с.
4) Повышение прочности изделия за счет наклепа при холодной обработке.
5) Малая стоимость инструмента и оборудования.
6) Возможность получения длинномерных профилей (десятки тысяч метров), которые не удается получить другими способами.
7) Малые технологические отходы металла.
Недостатки процесса.
1) Сортамент изделий, получаемых волочением, ограничен, как и размеры профилей.
2) При обработке стали требуются неоднократные отжиги и травление поверхности для удаления окалины.
КОВКА
Ковка является одним из важнейших способов получения заготовок в машиностроении. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковками. Ковкой получают разнообразные по форме и размерам поковки массой от 0,1 кг до 300 тонн. При последующей обработке на металлорежущих станках из поковок получают готовые изделия. Исходными заготовками для ковки являются металлические слитки и прокат. Особенностью ковки является нагрев заготовки перед ее деформированием.
Ковка заключается в формоизменении нагретой заготовки рабочими поверхностями универсального инструмента (бойками) при свободном течении металла в стороны. Ковкой изменяют конфигурацию заготовки за счет многократного последовательного воздействия бойками на отдельные ее участки, в результате чего заготовка, деформируясь, постепенно приобретает заданную форму и размеры.
Воздействие на заготовку может быть ударным, если она обрабатывается на молоте, или статическим – при обработке на прессе.
Для выполнения операций ковки используют основной технологический, поддерживающий (вспомогательный) и контрольно-измерительный инструменты. К основному инструменту относят бойки (плоские и вырезные), топоры, раскатки, прошивни, оправки, подкладные штампы и т.п. Поддерживающий инструмент- это клещи, патроны, консольные поворотные краны, ковочные манипуляторы. Контроль размеров поковок осуществляют с помощью линеек, штангенциркулей, скоб, шаблонов и т.п. Используемые для ковки инструменты считаются универсальными по той причине, что они оказываются пригодными для изготовления различных по конфигурации поковок.
Хотя ковка и уступает горячей объемной штамповке по производительности и точности поковок, однако имеет свою рациональную область применения. Это прежде всего выпуск малых серий поковок небольшой и средней массы (100…200 кг), когда изготовление дорогостоящих штампов для горячей объемной штамповки экономически нецелесообразно. В таких случаях более экономична ковка на молотах универсальным инструментом - бойками. Крупные поковки (особенно массой десятки и сотни тонн) удается изготовлять только ковкой на гидравлических прессах. В общем выпуске поковок, производимых в нашей стране, в среднем 30% приходится на кованые поковки, а 70%- на штампованные. Однако, например, в тяжелом машиностроении число кованых поковок достигает 70%.
ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ КОВКИ
Ковка может быть машинной на молотах и прессах и ручной. Ручная ковка применяется для изготовления художественных изделий, а также используется в ремонтном деле для мелких работ.
Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций.
Операция – это часть технологического процесса, которая выполняется на одном рабочем месте с использованием определенной группы инструмента и включает в себя последовательность действий над заготовкой с целью получения поковок требуемой формы и заданных свойств. Операция состоит из серии переходов. Переход – это часть операции, в процессе которой обрабатывается один участок заготовки одним и тем же инструментом на одном рабочем месте.
Таким образом, каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом. К основным операциям ковки относятся: осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка, скручивание, сварка, штамповка в подкладных штампах.
Осадка - операция, заключающаяся в увеличении площади поперечного сечения заготовки при уменьшении ее высоты (рис. 3.42). Осадку производят бойками или осадочными плитами. Для получения качественной поковки рекомендуется исходную цилиндрическую заготовку выбирать с отношением ее высоты h заг к диаметру d заг не более 2,5, во избежание возможного продольного искривления изделия. Торцы заготовки должны быть ровными и параллельными. Разновидностью осадки является высадка , при которой металл осаживают лишь на части длины заготовки 1 за счет использования подкладного инструмента 2, в результате чего формируется местное утолщение поковки (рис. 3.43).
Протяжка - операция, заключающаяся в уменьшении площади поперечного сечения заготовки или ее части за счет удлинения заготовки. Протяжка осуществляется последовательными ударами или обжатиями отдельных, примыкающих друг к другу участков заготовки при ее подаче вдоль своей оси (рис. 3.44). Сумма определенного числа ударов или обжатий, выполняемых осуществляемых последовательно до определенной толщины заготовки, называется проходом. Два последовательных обжатия с промежуточной кантовкой (поворотом) поковки на 90° называются переходом.
Протяжку выполняют плоскими или вырезными бойками. Ковка в вырезных бойках (рис. 3.45) позволяет избежать ковочных трещин (особенно в случае протяжки осесимметричных заготовок) при ковке низко-пластичных сталей и сплавов и получить более точные размеры поковки.
Деформация при протяжке выражается величиной уковки, и характеризуется отношением площади поперечного сечения исходной заготовки F H к площади конечного поперечного сечения F K .
Чем больше уковка, тем лучше структура металла и выше его механические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поковок требуемой формы, но и для повышения качества металла.
Существует ряд разновидностей протяжки.
Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины в этом месте (рис. 3.46).
Протяжка с оправкой - операция уменьшения толщины стенок заготовки с отверстием при сопутствующем увеличении длины поковки (рис. 3.47). Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3 и верхнем плоском 2) на слегка конической оправке 1. Для облегчения удаления оправки из поковки куют в направлении к расширяющемуся концу оправки.
Раскатка на оправке - операция уменьшения толщины стенок кольцевой заготовки при увеличении наружного и внутреннего ее диаметров (рис. 3.48). Кольцевая заготовка 1 опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 2, устанавливаемую концами на подставках (люнетах) 3, и деформируется между оправкой и узким длинным плоским бойком 4. После каждого удара или нажатия заготовку поворачивают относительно оправки. При раскатке на оправке ширина кольца несколько увеличивается.
Прошивка - операция получения сквозных или глухих полостей в заготовке за счет вытеснения металла из зоны его контакта с инструментом (рис. 3.49). Прошивка является самостоятельной операцией, служащей для образования углублений или отверстия в поковке либо подготовительной операцией для последующей протяжки или раскатки заготовки на оправке. Инструментом для прошивки являются прошивни, сплошные и пустотелые (рис. 3.50). Отверстия диаметром до 500 мм пробивают сплошным прошивнем с применением подкладного кольца, а отверстия большего диаметра прошивают полым прошивнем. Диа метр прошивня должен быть не более 1/2-1/3 наружного диаметра заготовки. При большем диаметре прошивня форма поковки значительно искажается. В высоких поковках сначала прошивают отверстие с одной стороны (примерно на 3/4 глубины), а затем этим же прошивнем заканчивают прошивку с другой стороны, перевернув поковку на 180 0 . При сквозной прошивке тонких поковок 1 применяют подкладные кольца 2. Прошивка сопровождается отходом части металла 3, которую называют выдрой (рис. 3.51).
Отрубка - операция полного отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента (рис. 3.52). Инструментом для рубки служат прямые и фигурные топоры и зубила (рис. 3.53). Отрубку топорами осуществляют для удаления прибыльной и донной частей слитка, излишков металла на концах поковок или для разделения длинной заготовки на более короткие части. Разновидностью отрубки является надрубка, служащая для образования в поковке уступов, заплечиков.
Гибка - операция образования или изменения углов между частями заготовки или придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 3.54). Гибку осуществляют с помощью различных опор, подкладок, приспособлений и в подкладных штампах. Этой операцией получают угольники, скобы, крюки, кронштейны и т. п. При выборе исходной заготовки следует учитывать искажение первоначальной формы и уменьшение площади поперечного сечения поковки в зоне изгиба, называемое утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления.
Скручивание - операция, в ходе которой обеспечивается поворот одной части заготовки относительно другой на заданный угол вокруг продольной оси (рис. 3.55). Скручивание применяется при изготовлении коленчатых валов, сверл и т. п. При скручивании используют ключи, воротки, лебедки, кран-балки.
Сварка - операция образования неразъемного соединения путем совместного пластического деформирования предварительно нагретых заготовок (рис. 3.56).
Штамповка в подкладных штампах – ковочная операция, позволяющая изготавливать достаточно сложные по конфигурации поковки (рис. 3.57). Используется при изготовлении небольшой партии таких поковок, как головки гаечных ключей, головки болтов, диски со ступицей, втулки с буртом и т.п. Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка.
При изготовлении конкретной детали операции ковки чередуются в определенной последовательности.
Примером работ, выполняемых свободной ковкой, служит ковка рычага с вилкой (рис. 3.58, а).
Заготовкой для ковки служит пруток прямоугольного сечения. Нагретую заготовку протягивают на прямоугольник требуемого размера, после чего трехгранными призмами ее надрубают (рис. 3.58, б).
Рис. 3.58. Последовательность ковки рычага с вилкой:
а- деталь, б- надрубка, в, г, д - протяжка и надрубка, е- гибка, ж- протяжка
Протянув концы заготовки до толщины головки, делают новые надрубки (рис. 3.58, в), и протягивают каждый конец до требуемого размера (рис. 3.58, г, д). Далее заготовку изгибают и, заложив в середину вилки вкладыш, выглаживают ее. Затем надрубают конец вилки (рис. 3.58, е) и протягивают призмой (рис. 3.58, ж). После этого придают окончательный вид концу вилки с тем, чтобы получить заданную форму поковки.
Оборудование для ковки
Операции ковки выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.
Молоты - машины ударного действия, в которых деформирование металла заготовки происходит за счет кинетической энергии подвижных частей, накопленной к моменту соударения с заготовкой. Скорость движения рабочего инструмента в момент удара составляет 3 … 8 м/с, время деформирования - сотые доли секунды. Основной характеристикой молота является масса подвижных (чаще всего пáдающих) частей.
В зависимости от типа привода молоты бывают пневматическими, паровоздушными, механическими, гидравлическими, газовыми, взрывными и др.
По принципу работы молоты бывают простого и двойного действия. У молотов простого действия привод служит только для подъема ударных (падающих) частей, а их движение вниз осуществляется под действием сил тяжести. Привод молотов двойного действия служит как для подъема ударных частей, так и для их движения вниз. Кинетическая энергия падающих частей молотов двойного действия вследствие этого больше, чем молотов простого действия, при одинаковых их массах.
Из приводных молотов наибольшее применение получили пневматические. Подвижными, или в данном случае пáдающими частями являются поршень, его шток и верхний боек. В пневматическом молоте подъем и опускание поршня, к штоку которого крепится верхний боек, совершается с помощью сжатого воздуха давлением 0,2 … 0,3 МПа. Сжатый воздух поступает в рабочий цилиндр от поршневого компрессора, приводимого в движение кривошипно-ползунным механизмом от отдельного электродвигателя. Рабочий и компрессорный цилиндры расположены на одной станине. Пневматические молоты имеют массу падающих частей 50 … 1000 кг и применяются для ковки мелких поковок (до 20 кг).
Пневматические молоты нашли широкое применение в кузницах небольших заводов и мастерских на участках ручной ковки. Это объясняется их низкой стоимостью, простотой обслуживания и высокой надежностью. Достоинством пневматических молотов также является использование электрической энергии, а не пара или сжатого воздуха, применение которых дороже и сложнее (как в случае использования паровоздушных молотов).
Ковочные пневматические молоты обладают следующими характеристиками: масса ударных частей составляет 50 … 150 кг, число ударов - соответственно 225 … 95 в мин. Применяют эти молоты для получения небольших поковок (0,5 … 20 кг) из сортового проката.
Пневматический молот двойного действия (рис. 3.59) оснащен двумя цилиндрами: компрессорным 5 и рабочим 2. Поршень компрессорного цилиндра 4 получает возвратно-поступательное движение от кривошипно-ползунного механизма 6. Воздух, сжатый в компрессорном цилиндре, подается по каналам 3 в верхнюю или нижнюю часть рабочего цилиндра, перемещая соответственно вниз или вверх поршень рабочего цилиндра 1, изготовленный заодно со штоком 11. На штоке закреплен верхний боек 10. Нижний боек 9 крепится к подушке 8, установленной на шаботе 7. Масса шабота превышает массу падающих частей в 10 … 15 раз.
Внешний вид пневматического молота представлен на рис. 3.60.
Основным видом молотов для ковки являются паро-воздушные молоты двойного действия. Масса падающих частей таких молотов составляет 1000 … 8000 кг, а число ударов - соответственно 71 … 34 в мин. Данные молоты предназначены для изготовления средних по массе поковок (20 … 350 кг). Паро-воздушные молоты приводятся в действие паром, поступающим по трубопроводу от котла под давлением 0,7 … 0,9 МПа, или сжатым воздухом, который подается от компрессора под давлением до 0,7 МПа. По типу станин паро-воздушные молоты бывают одно- и двухстоечными. Двухстоечные молоты выпускаются арочного и мостового типов.
Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распространенный. Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.
Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом, она уменьшается в своём поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.
Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила и касательная сила трения(рис. 10.1).
Рис. 10.1. Схема сил, действующих при прокатке
Угол – угол захвата, дуга, по которой валок соприкасается с прокатываемым металлом – дуга захвата, а объём металла между дугами захвата – очаг деформации.
Возможность осуществления прокатки определяется условием захвата металла валками или соотношением ,
где:– втягивающая сила - проекция силы тренияна горизонтальную ось;– выталкивающая сила – проекция нормальной реакции валковна горизонтальную ось.
При этом условии результирующая сила будет направлена в сторону движения металла.
Условие захвата металла можно выразить:
Выразив силу трения через нормальную силуи коэффициент трения:, и, подставив это выражение в условие захвата, получим:
или
.
Таким образом, для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.
Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках.
При прокатке стали = 20…25 0 , при горячей прокатке листов и полос из цветных металлов –= 12…15 0 , при холодной прокатке листов –= 2…10 0 .
Степень деформации характеризуется показателями:
– абсолютное обжатие: (– начальная и конечная высоты заготовки);
относительное
обжатие:
Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. Поэтому для определения деформации (особенно когда обжатие по сечению различно) используют показатель, называемый вытяжкой (коэффициентом вытяжки).
где: – первоначальные длина и площадь поперечного сечения,– те же величины после прокатки.
Вытяжка обычно составляет 1,1…1,6 за проход, но может быть и больше.
Способы прокатки
Когда требуется высокая прочность и пластичность, применяют заготовки из сортового или специального проката. В процессе прокатки литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за сч¨т залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это прида¨т заготовкам из проката высокую прочность и герметичность при небольшой их толщине.
Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рис.10.2).
Рис. 10.2. Схемы основных видов прокатки:
а – продольная; б – поперечная; в – поперечно – винтовая
При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис.10.2 а). Заготовка втягивается в зазор между валками за сч¨т сил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат.
Поперечная прокатка (рис. 10.2.б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.
В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.
Поперечно – винтовая прокатка (рис. 10.2.в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под углом друг другу. Прокатываемый металл получает ещё и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок.
В качестве инструмента для прокатки применяют валки прокатные , конструкция которых представлена на рис. 10.3. В зависимости от прокатываемого профиля валки могут быть гладкими (рис.10.3.а), применяемыми для прокатки листов, лент и т.п. и калиброванными (ручьевыми) (рис. 10.3.б) для получения сортового проката.
Ручей – профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями называютсябуртами . Совокупность двух ручь¨в образует полость, называемуюкалибром , каждая пара валков образует несколько калибров. Система последовательно расположенных калибров, обеспечивающая получение требуемого профиля заданных размеров называетсякалибровкой .
Рис. 10.3. Прокатные валки: а – гладкий; б – калиброванный
Валки состоят из рабочей части – бочки 1 , шеек2 и трефы3 .
Шейки валков вращаются в подшипниках, которые, у одного из валков, могут перемещаться специальным нажимным механизмом для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения осей.
Трефа предназначена для соединения валка с муфтой или шпинделем.
Используются роликовые подшипники с низким коэффициентом трения, = 0,003…0,005, что обеспечивает большой срок службы.
