Лекция 9. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Уровень использования обработки давлением в технологических процессах в известной мере определяет уровень машиностроения в стране в целом.

Обработка давлением является одним из наиболее прогрессивных методов. Ее преимущества заключаются в простоте выполнения операций, а также в том, что за один проход (ход) инструмента получают заготовки или детали сложной конфигурации с высокой степенью точности и стабильными геометрическими параметрами при высоком коэффициенте использования материала. Качество металла при пластическом деформировании повышается, поскольку волокна металла не перерезаются, а только изгибаются, он упрочняется, залечиваются дефекты. Поэтому ответственные детали, такие как колеса и оси железнодорожных вагонов, детали турбин самолетов и т.д., обязательно подвергают обработке пластическим деформированием.

Современная тенденция развития машиностроения в части использования для деталей пластмасс, резин, композиционных материалов, металлических и неметаллических порошков еще больше расширяет сферы применения обработки давлением.

Следует отметить еще одно направление – использование комбинаций разных методов в одном процессе. Компонентами любой комбинации часто являются операции пластической обработки.

Металлы, применяемые в технике, имеют поликристаллическое строение, т.е. состоят из конгломерата зерен. В каждом зерне есть совокупность кристаллов, отличающихся упорядоченным расположением атомов. Однако направление определенных кристаллографических плоскостей в разных зернах различно и зависит от условий кристаллизации и последующей обработки (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схема поликристаллической структуры металла

Межатомные расстояния при упорядоченном кристаллическом строении устанавливаются в результате создавшегося равновесия сил межатомного взаимодействия – притяжения и отталкивания. При этом в кристалле имеет место минимум потенциальной энергии.

Под действием внешней силы межатомные расстояния меняются и в кристаллическом теле или его части возникает изменение размеров – деформация. Квазиравновесие тела, которое имеет место при деформировании его внешними силами, называется напряженно-деформированным состоянием. Деформации могут быть как абсолютные (изменение длины, угла, поверхности, объема), так и относительные (т.е. отнесенные к первоначальному соответствующему параметру деформируемого тела).

Таким образом, для желаемого формоизменения к телу надо приложить силы, достаточные для достижения требуемых деформаций. Если деформация, вызванная внешними силами, исчезает при прекращении их действия, а тело полностью восстанавливает свои исходные форму и размеры, то она называется упругой. Следовательно, при упругой деформации смещение взаимного расположения атомов не превосходит расстояний, которые гарантируют восстановление положения равновесия.

Если же при прекращении действия внешних сил тело не полностью восстанавливает свою исходную форму и размеры, то такую деформацию называют пластической (остаточной). В этом случае атомы нс возвращаются в исходное положение, а находят новое, соответствующее устойчивому равновесию.

Если внешние силы, воздействующие на тело, приводят к смещению атомов, при котором вообще нарушается действие сил взаимного притяжения, то возникает нарушение его сплошности, т.е. разрушение в какой-то части. При обработке давлением заданное формоизменение может быть достигнуто только при достижении пластических деформаций.

При деформировании материала имеют место потери энергии на рассеивание, преодоление трения и т.д., поэтому для процессов формообразования необходимо иметь оборудование, которое может преодолеть заданное сопротивление. Преодоление сопротивления деформации осуществляется на определенном перемещении инструмента с помощью усилия, приложенного к исполнительному звену.

Независимо от характера процесса обработки давлением необходимо учитывать следующие общие положения:

• усилие воздействия инструмента на заготовку должно быть большим, чем временное сопротивление материала;

• объем металла на протяжении всего процесса деформации остается практически постоянным;

• металл течет по пути наименьшего сопротивления;

• при пластическом деформировании механическая энергия в значительной мере превращается в тепловую и металл нагревается.

Кроме того, если деформирование осуществляется в холодном состоянии, то в детали возникают остаточные внутренние напряжения за счет образуемого наклепа. После такой обработки необходима термическая обработка – отжиг для рекристаллизации и снятия внутренних напряжений (см. гл. 15).

К методам обработки материалов пластическим деформированием относятся: прокатка, прессование, волочение, листовая и объемная штамповка, ковка, раскатка, накатка. Рассмотрим поочередно суть этих методов.