Обработка металлов давлением

  Наряду с традиционными методами Х. ш. всё более широкое применение получают беспрессовые виды штамповки (взрывная, электрогидравлическая, электромагнитная и т.д.).

Кузнечно-штамповочное производство, отрасль тяжёлого машиностроения, производящая различные металлические изделия (от деталей машин до предметов домашнего обихода) ковкой, штамповкой, прессованием. В основе методов К.-ш. п. лежит способность материалов деформироваться, т. е. изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. Выбор условий, благоприятных для пластического деформирования, производят исходя из основных положений теории обработки металлов давлением. Ценность способов К.-ш. п. заключается в том, что при обработке заготовок давлением их форма изменяется в результате перераспределения металла, а не за счёт удаления его излишка, как при обработке металлов резанием, что позволяет резко сократить отходы и одновременно увеличить прочность материала. Поэтому обработка металлов давлением применяется для изготовления наиболее ответственных деталей машин. Так, в самолёте до 80—90%, в автомобиле до 85% деталей (от общей массы) — штампованные. Машины К.-ш. п. более производительны, чем металлорежущие станки, например производительность холодновысадочных автоматов в 5—6 раз превосходит производительность токарных автоматов, причём отходы металла сокращаются в 2—3 раза. Замена механической обработки штампованием при переработке каждого млн. т проката позволяет экономить до 250 тыс. т металла. 

 Для увеличения  пластичности при обработке давлением часто применяют нагрев, что позволяет снизить усилия в 10—15 раз по сравнению с обработкой холодной заготовки, а также избежать появления трещин и сократить время операции. В качестве нагревательных устройств в К.-ш. п. используют печи: пламенные (камерные и методические) и электрические (с нагревательными элементами и индукционные).

 Внедрение  технологических процессов, основанных  на О. м. д., по сравнению с  др. видами металлообработки (литьё,  обработка резанием) неуклонно расширяется, что объясняется уменьшением потерь металла, возможностью обеспечения высокого уровня механизации и автоматизации технологических процессов. 

 О. м. д.  могут быть получены изделия  с постоянным или периодически  изменяющимся поперечным сечением (прокатка, волочение, прессование) и штучные изделия разнообразных форм (ковка, штамповка), соответствующие по форме и размерам готовым деталям или незначительно отличающиеся от них. Штучные изделия обычно подвергаются обработке резанием. Объём удаляемого при этом металла зависит от степени приближения формы и размеров поковки или штамповки к форме и размерам готовой детали. В ряде случаев О. м. д. получают изделия, не требующие обработки резанием (болты, винты, большинство изделий листовой штамповки). 

 О. м. д. может применяться не только для получения заготовок и деталей, но и как отделочная операция после обработки детали резанием (дорнование, обкатка роликами и шариками и т.п.) с целью уменьшения шероховатости поверхности, упрочнения поверхностных слоев детали и создания желательного распределения остаточных напряжений, при котором служебные свойства детали (например, сопротивление усталостному разрушению) улучшаются. 

 О. м. д.  осуществляется воздействием на  заготовку внешних сил. Источником  деформирующей силы может быть мускульная энергия человека (при ручной ковке, выколотке) или энергия, создаваемая в специальных машинах — прокатных и волочильных станах, прессах, молотах и т.п. Деформирующие силы могут создаваться также действием ударной волны на заготовку, например при взрывной штамповке, или мощными магнитными полями. например при электромагнитной штамповке. Деформирующие силы передаются на заготовку инструментом, который обычно является твёрдым, испытывающим малые упругие деформации при пластической деформации заготовки; в некоторых случаях используются эластичные среды (например, при штамповке — резина, полиуретан) или жидкости (например, при гидростатическом прессовании). 

 Различают  горячую и холодную О. м.  д. Горячая О. м. д. характеризуется  явлениями возврата и рекристаллизации, отсутствием упрочнения (наклёпа); механического и физико-химического свойства металла изменяются сравнительно мало. Пластическая деформация не создаёт полосчатости (неравномерности) микроструктуры, но приводит к образованию полосчатости макроструктуры у литых заготовок (слитков) или к изменению направления волокон макроструктуры (прядей неметаллических включений) при О. м. д. заготовок, полученных прокаткой, прессованием и волочением. Полосчатость макроструктуры создаёт анизотропию механических свойств, при которой свойства материала вдоль волокон обычно лучше его свойств в поперечном направлении.

Анизотропия (от греч. ánisos — неравный и tróроs — направление), зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления (в противоположность изотропии — независимости свойств от направления). Примеры А.: пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки только вдоль определённой плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие); мясо легче режется вдоль волокон, хлопчатобумажная ткань легко разрывается вдоль нитки (в этих направлениях прочность ткани наименьшая). 

 Естественная  А. — наиболее характерная  особенность кристаллов. Именно  потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца, кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза, разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки снежинок. Анизотропны, однако, не все свойства кристаллов. Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. А. остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.  

  При нагревании шара из изотропного вещества он расширяется во все стороны равномерно, т. е. остаётся шаром. Кристаллический шар при нагревании изменит свою форму, например превратится в эллипсоид (рис. 1, а). Может случиться, что при нагревании шар будет расширяться в одном направлении и сжиматься в другом (поперечном к первому, рис. 1, б). Температурные коэффициенты линейного расширения вдоль главной оси симметрии кристалла (a_//) и перпендикулярно этой оси (a_^) различны по величине и знаку.

При холодной О. м. д. процесс пластической деформации сопровождается упрочнением, которое изменяет механические и физико-химические характеристики металла, создаёт полосчатость микроструктуры и также изменяет направление волокон макроструктуры. При холодной О. м. д. возникает текстура, создающая анизотропию не только механических, но и физико-химических свойств металла. Используя влияние О. м. д. на свойства металла, можно изготавливать детали с наилучшими свойствами при минимальной массе.

Текстура (от лат. textura — ткань, связь, строение), преимущественная ориентация кристаллических зёрен (кристаллов) в поликристаллах или молекул в твёрдых аморфных телах (жидких кристаллах, полимерах), приводящая к анизотропии свойств материалов. Т. может возникать под действием упругих напряжений, тепловых воздействий, электрических и магнитных полей и сочетания этих факторов (например, термомеханической и термомагнитной обработки материалов). Различают осевые Т. с предпочтительной ориентацией некоторых кристаллических зёрен или молекул относительно одного направления (ось Т.), плоские Т. с ориентацией относительно плоскости (плоскость Т.). Т. называют полными при наличии плоскости и выделенной оси Т. Возможно образование сложной Т. с несколькими видами ориентаций. В Т. обычно не бывает ориентации всех элементов. Существует разброс ориентаций относительно выделенных осей и плоскостей. Распределение ориентаций характеризуют так называемыми полюсными фигурами, определяемыми рентгенографически. Распространены также оптические методы изучения Т. 

 Т. образуются  при массовой кристаллизации, эпитаксиальном наращивании (см. Эпитаксия), адсорбции, фазовых переходах, вакуумном и электролитическом осаждении, при кристаллизации и деформации полимерных материалов; при отливке, протяжке, прокатке и сжатии металлов и др. обработке материалов.  

 Текстурированные  материалы применяются в технике.  Это — пьезоэлектрическая Т. (см. Пьезоэлектрическая керамика), оптическая Т. (см. Поляроид), текстура магнитная и др. Т. широко распространены в тканях растений и животных, в изделиях из веществ природного происхождения (волокна) и в др. материалах. 

 При О.  м. д. изменение схемы напряжённого  состояния в деформируемой заготовке  позволяет влиять на изменение  её формы. В условиях неравномерного  всестороннего сжатия пластичность металла увеличивается тем больше, чем больше сжимающие напряжения. Рациональный выбор операций О. м. д. и условий деформирования (гидростатическое прессование, выдавливание с противодавлением, прокатка на планетарных станах и т.п.) не только позволяет увеличить допустимое изменение формы, но и применять О. м. д. для изготовления деталей из высокопрочных, труднодеформируемых сплавов. 

 Научной основой  проектирования и управления  технологическими процессами О.  м. д. является теория О. м. д. — научная дисциплина, синтезирующая отдельные разделы физики металлов, и пластичности теория. Основные задачи теории О. м. д.: разработка методов определения усилий и работы, затрачиваемой на деформацию, расчёт размеров и формы заготовки, характера изменения её формы, методов определения допустимого (без разрушения или появления др. дефектов) изменения формы заготовки, оценки изменения механических и физико-химических свойств металла в процессе его деформации и отыскание оптимальных условий деформации.