Обработка металлов давлением(ОМД) Листовой прокат
Сущность процесса ОМД • Обработка металлов давлением(ОМД) заключается в пластическом изменении формы и размеров деталей посредством их деформирования. • При пластическом деформировании решаются две основные задачи: - формообразование и - улучшение структуры металла с целью повышения его физикомеханически свойств. В автомобиле- и тракторостроении широко используется продукция прокатного производства: лист, трубы, сортовой прокат. Методом объемной штамповки получают заготовки для самых ответственных деталей (коленчатые валы, крестовины кардана, шатуны и т. д. ). Листовая штамповка используется при изготовлении кузовов легковых автомобилей, кабин грузовых автомобилей и тракторов, колпаков автомобильных колес и т. д. В процессе обработки давлением решается и вторая задача – улучшение структуры металла и повышение его механических характеристик. Так, при нагреве под обработку давлением за счет протекания диффузионных процессов устраняется химическая неоднородность слитка. При ковке стальных слитков ликвидируется усадочная пористость, происходит заваривание пузырей, трещин, пор. В результате горячей обработки металл становится более прочным и пластичным.
Классификация процессов ОМД Процессы ОМД Получение изделий постоянного поперечного сечения Прокатка, Прессование Волочение Получение изделий, имеющих приближенно форму и размеры готовых деталей Ковка п Листовая и объемная штамповка По температурному режиму -холодная обработка - горячая обработка
Физические основы обработки металлов давлением Обработка металлов давлением основана на использовании пластических свойств металлов и сплавов. Пластичностью называется способность металла изменять свою форму и размеры без разрушения под действием приложенных внешних сил. Приложение внешних сил к металлическому телу вызывает в нем изменение размеров (деформацию). Деформация может быть упругой и пластической. При упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил. При пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Цель обработки металлов давлением (ОМД) – это создание остаточной (пластической) деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки. Основным механизмом получения пластической деформации считается скольжение атомов относительно друга в кристаллической решетке, которое вызвано сдвигом
Влияние обработки давлением на структуру и свойства метала В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. (см. далее) При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). При холодной деформации металл становится более твердым, но менее пластичным. Наклеп сопровождается изменением физических и механических свойств металла. С увеличением степени деформации прочностные характеристики (временное сопротивление σВ, предел текучести σТ, твердость НВ и др. ) повышаются, а характеристики пластичности металла (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ и др. ) снижаются
Холодная деформация На рис. приведена структура металла при холодной и горячей деформации. При нормальной комнатной температуре состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго. Переходу атомов в равновесное состояние способствует повышение температуры, так как повышение температуры увеличивает подвижность атомов. При достижении определенной температуры вместо волокнистой структуры деформированного металла происходит образование новых равноосных мелких зерен. Явление зарождения и роста равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Академик А. А. Бочвар установил зависимость абсолютной температуры рекристаллизации металла Трекр от абсолютной температуры плавления Тпл: Трекр=α Тпл, где α – коэффициент, зависящий от состава и структурного состояния сплава (α = 0, 4 для технически чистых металлов); Трекр < 0, 3 Тпл – температура холодной деформации; Трекр > 0, 6 Тпл – температура горячей деформации. Горячая деформация Изменение структуры металла под действием пластической деформации Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает пройти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения.
Влияние различных факторов на пластичность металлов Основными факторами, оказывающими влияние на пластичность и сопротивление металла деформированию, являются химический состав, температура металла, скорость деформации, схема напряженного состояния Влияние химического состава Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы, наименьшей – сплавы. Техническое железо пластичнее, чем сталь, алюминий пластичнее чем его сплавы и т. д. С увеличением содержания углерода в стали пластичность ее падает, а сопротивление деформированию растет Влияние содержания углерода на механические свойства стали показано на графике Основные величины, характеризующие пластичность это относительное сужение и относительное удлинение.
Содержание Si в пределах 0, 17… 0, 35%, и Mn в пределах 0, 3… 0, 8% не оказывает заметного влияния на пластичность стали. Дальнейшее повышение содержания Si и Mn в стали приводит к снижению ее пластических свойств. S находится в стали в виде химических соединений Fe. S и Mn. S. Она вызывает красноломкость стали. По этой причине содержание серы в стали не должно превышать 0, 03… 0, 05%. P присутствует в твердом растворе (феррите). Он вызывает хладноломкость стали, поэтому содержание его должно быть не более 0, 03… 0, 05%. Повышение концентрации N, O и H в стали также значительно снижают ее пластичность и повышают порог хладноломкости.
Влияние температуры Температура нагрева оказывает существенное влияние на пластичность металла. Рассмотрим на примере конструкционной стали с содержанием С=0, 4% С повышением температуры увеличиваются значения максимального относительного удлинения и максимально достижимых деформаций, а сопротивление деформированию уменьшается. Все металлы и сплавы Характеризуются повышением пластичности и уменьшением сопротивления деформированию с увеличением температуры
Влияние скорости деформации Скоростью деформации называется изменение степени деформации в единицу времени. Она выражается формулой: где W – скорость деформации, с-1; ε – степень деформации; t – время, с. При горячей обработке увеличение скорости деформации понижает пластичность в том случае, если скорость упрочнения металла (степень деформации ε) вследствие его деформирования превышает скорость разупрочнения вследствие нагрева. При холодной обработке увеличение скорости деформации вызывает нагрев металла. Тепло, аккумулируясь в металле, способствует развитию процессов разупрочнения, что, в свою очередь, сказывается на повышении пластичности металла. Скорость деформации связана с понятием скорости деформирования, которым определяется скорость хода инструмента (пресса или молота). В зависимости от скорости деформирования все способы обработки давлением делятся на низкоскоростные (до 5… 10 м/с)-обработка на прессах, молотах и др. высокоскоростные (до 200… 300 м/с) – обработка взрывом, магнито-импульсная и др.
Влияние схемы напряженного состояния. Напряженное состояние характеризуется схемой главных напряжений. Понятие схемы главных напряжений ввел в теорию ОМД академик С. И. Губкин. В механике сложных тел существует положение, по которому напряженное состояние точки можно охарактеризовать тремя нормальными напряжениями. Максимально главное напряжение обозначается σ 1, минимальное – σ2, среднее – σ3. На схемах главные площадки изображаются в виде трех взаимно перпендикулярных граней куба, а напряжения – стрелками, приложенными к центру граней. Предполагается, что размеры куба весьма малы, а в центре его объёма располагается точка для которой построена схема. Известно 9 схем главных напряжений. Металл обладает наибольшей пластичностью, когда он подвергается всестороннему сжатию и наименьшей пластичностью, когда он в двух плоскостях оказывается сжатым, а в третьей плоскости действуют напряжения растяжения.
Схема напряженного состояния, представленная на рис. а соответствует процессам прессования, осадки, прокатки листа, а на рис. б - процессу волочения. при волочении прессовании а) б) Рис. Схемы напряженного состояния, соответствующие: а – наибольшей пластичности; б – наименьшей пластичности
Если напряженное состояние характеризуется одной из 9 схем, то деформированное – одной из 3 схем, показанных на рис. 7.
Законы пластической деформации 1. Закон постоянства объема Объем заготовки(детали) при обработке давлением остается постоянным. Закон основан на том, что при обработке давлением плотность металла изменяется незначительно (всего на 0, 1. . . 0, 2%). Для параллелепипеда со сторонами l, h, b выполняется следующее соотношение Данный закон используется при расчетах технологических операций, так как позволяет связать размеры тела до пластической обработки, в момент обработки и после неё. Закон постоянного объема используется для: - определения объема исходного металла; - определения числа (операций) переходов. Закон также применяется при расчете заготовок под штамповку в закрытых штампах и при расчете поковок сложной конфигурации
2. Закон наименьшего сопротивления Каждая элементарная частица деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления перпендикулярно действию нагрузки (сил). Направление наименьшего сопротивления в ряде случаев могут быть установлены путем анализа формы, размеров исходной заготовки и инструмента и условий контактного трения. Так, в случае высокого значения коэффициента трения направления интенсивного течения металла (направление наименьшего сопротивления) могут быть установлены с помощью правила кратчайшей нормали: перемещение точки в плоскости свободного формоизменения, перпендикулярной направлению внешних силы, будут происходить по направлению кратчайшей нормали к периметру сечения, в котором расположена данная точка.
Рассмотрим течение металла при осадке между параллельными плитами (операция ковки) Если воспользоваться правилом кратчайшей нормали, то сечение в плоскости А-А разобьется на четыре области: треугольные 1, 2, ограниченные биссектрисами углов, и трапецеидальные области 3, 4. Анализ показывает, что при осадке прямоугольного параллелепипеда направление перемещений в указанных областях будет соответствовать изображенным на рисунке. Направление течения металла при осадке прямоугольного бруска с большим коэффициентом трения
3. Закон подобия При разработке технологических процессов ОМД проводятся экспериментальные исследования с целью определения технологических параметров. Наиболее точные результаты получают, когда эксперимент проводится в производственных условиях, однако такие исследования требуют больших материальных затрат, поэтому эксперимент зачастую проводится в лабораторных условиях. Для того чтобы результаты лабораторных (модельных) исследований можно было перенести в производственные условия, необходимо выполнить условия геометрического и физического подобия. Введем масштаб моделирования(M) Для параллепипеда он равен: Отношение усилий деформирования будут пропорциональны M 2. Отношения затрачиваемых работ будут пропорциональны M 3. При деформации геометрически подобных тел из одинакового материала удельные усилия деформирования будут равны Закон используется для определения усилий деформирования заготовок крупных размеров путем проведения моделирования
Нагрев заготовки перед обработкой давлением Нагрев металла перед обработкой давлением производится с целью повышения его пластичности и уменьшения сопротивления деформированию. Нагрев должен обеспечивать равномерное распределение температуры по сечению заготовки, не допускать окисления ее и обезуглероживания. Различают две разновидности нагрева: косвенный, когда тепло передается металлу за счет конвекции и излучения; прямой, когда тепло аккумулируется в самом металле за счет поглащаемой им энергии (индукционный нагрев)
Температурный интервал ОМД Горячая обработка металла давлением проводится в интервале температур (нагрев до определенной температуры и обработка до нижнего температурного предела). Верхний температурный предел выбирается так, чтобы нагрев метала не сопровождался отрицательными явлениями (перегрев, пережог, обезуглероживание, окисление). Для стали это на 100 -200 0 C ниже AE Температура нижнего предела не должна быть такой, чтобы металл при обработке получил наклеп. Выбор температуры зависит от рода сплава и его химического состава. Для стали это на 50 0 C выше GS Температурная область нагрева под ковку углеродистых сталей
Скорость и время нагрева Скорость нагрева зависит от следующих факторов: - перепада температур по сечению заготовки; - напора печи (температура рабочего пространства печи); - формы и размеров поперечного сечения заготовки; - теплофизических свойств металла (теплопроводность, плотность, электросопротивление, магнитная проницаемость); - способа нагрева. Перепад температур по сечению заготовки при нагреве меняется во времени ниже приведен график нагрева заготовки: 1 - температура поверхности; 2 – температура сердцевины; 3 – разность температур между поверхностью и сердцевиной. Время нагрева (формула Доброхотова) где К – коэффициент, учитывающий теплофизические свойства металла; d – диаметр или сторона квадрата, м; α – коэффициент, учитывающий расположение заготовки на поду печи
Нагревательные устройства могут быть классифицированы: - по источнику энергии (пламенные и электрические); - по назначению (прокатные, термические, кузнечные); - по принципу действия (камерные и методические). а) г) б) д) в) е) Принципиальные схемы основных видов нагревательных устройств: а – шахтная нагревательная печь; б – камерная печь с выдвижным подом; в – методическая печь; г – кузнечный горн; д – камерная электрическая печь; е – установка индукционного нагрева
Камерная печь Печь шахтного типа
Методическая печь
Скачать презентацию Обработка металлов давлением ОМД Листовой прокат Сущность процесса
4-ОМД1(vfkaz).ppt