Практическая работа по курсу "Горячая обработка материалов"

Практическое занятие №4

 

Тема: Прессование

 

Цель: 1. Изучить способы прессования

2 Ознакомиться с оборудованием и инструментом, применяемым при прессовании заготовок

 

Задание:

1    Изучить теоретический материал

2    3арисовать схемы прессования и дать их описание

3    Ответить на контрольные вопросы

4    Оформить отчет

 

Теоретическая часть

 

Процесс прессования представляет собой выдавливание металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие матрицы. Этот способ находит широкое применение при деформировании как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладающих большой жесткостью.

 

Прессованием изготавливаются разнообразные виды изделий: цельные сечением мм; различные полые профили с постоянным и переменным сечением 20÷400мми толщиной стенки

1÷3мм; ммпри толщине стенки мм,. Некоторые виды изделий представлены на рисунке 1. Профили, получаемые прессованием, часто оказываются более экономичными, чем изготовляемые прокаткой, а в некоторых случаях их невозможно произвести другим способом.

 

 

Рисунок 1 – Виды изделий

Основным преимуществом прессования металла относятся:

•       возможность пластической обработки с большими вытяжками;

•       обработка малопластичных металлов;

•       возможность получения практически любого поперечного сечения изделия;    универсальность оборудования для получения различных изделий;            высокое качество поверхности, точность.

 

К недостаткам можно отнести:

•       повышенный расход металла на единицу изделия;

•       повышенный расход энергии;  периодичность процесса;

•       высокая стоимость инструмента.

 

Различают два основных способа прессования: прямой (Рисунок 2 а) и обратный (Рисунок 2б).

 

При прямом методе нагретый слиток цилиндрической формы, помещенный в контейнер, подвергается трехстороннему сжатию. Давление металлу передается пресс – штемпелем, матрица – неподвижна.

 

При обратном методе прессования пресс – штемпель делается полым и на его конце укрепляется матрица. При движении пресс – штемпеля справа налево, матрица, являющаяся одновременно и пресс – шайбой, давит на торцевую часть слитка, при этом металл вынужден вытекать в обратном направлении, т.к. контейнер в противоположном направлении закрыт массивной упорной шайбой. Если при прямом методе вся масса слитка перемещается внутри контейнера в направлении движения (течения) металла, то при обратном прессовании слиток неподвижен относительно стенок контейнера, вследствие чего значительно уменьшается действие сил трения при прессовании. В результате усилия прессование обратным методом снижается на  но конструкция пресса при этом усложняется. К преимуществам обратного метода относится также и снижение потерь металла,  металла уходит в отходы при прямом методе, в так называемую выдру (пресс-остаток),  при обратном.

 

 

Рисунок 2 -Схемы прессования:а– прямой метод,б– обратный метод.

 

Прессование труб производится обычно прямым методом, хотя возможно прессование коротких труб большого диаметра      обратным методом.

 

Рассмотрим прессование трубы прямым методом (рисунок 3). Слиток помещается в контейнер, включается главный гидроцилиндр и начинается движение пресс–шайбы, при этом происходит распрессовка слитка, то есть заполнение контейнера металлом. Следующей операцией, перед прессованием, является прошивка металла в контейнере стальной иглой.

 

Игла связана со штоком специального прошивного цилиндра, расположенного по оси пресса среди главного гидроцилиндра. Передний конец иглы проходит через распрессованый металл, выдвигаясь на некоторое расстояние в отверстие матрицы, и останавливается. Затем включается главный цилиндр пресса, начинает движение пресс–шайба и металл начинает течь через кольцевой зазор, образованный стенками отверстия матрицы и наружной поверхностью иглы.

 

 

Рисунок 3 -Схема прессования полой заготовки.

 

Во время прессования возникает очаг деформации, который зависит от способа прессования, коэффициент трения, податливости металла. Различают три основных вида очага деформации, (рисунок 4).

 

Первый вид(рисунок 4а) характерен тем, что деформация сосредоточена вблизи матрицы.

 

Такой вид наблюдается при обратном прессовании, а также при прямом, если коэффициент трения низок (тщательная обработка стенок контейнера и качественная смазка). Прессование идет без «заворота» металла, механические свойства прутка по сечению и длине отличаются стабильностью.

 

Второй вид(рисунок 4б) очага деформации имеет место при средних значениях коэффициента трения и незначительных изменениях механических свойств сечения слитка в контейнере (при захоложенных периферийных слоях).

 

Очаг деформации распространяется на всю длину заготовки. Течение внутренних слоев происходит с некоторым опережением внешних. Появляются как бы два объема деформируемого тела: внешний       и внутренний –      . Однако прессование и в этом случае идет без «заворота».

 

 

Рисунок 4 -Виды очага деформации.

 

Третий вид (рисунок 4в) очага деформации имеет место при высоком коэффициенте трения между стенкой контейнера и слитком, а также значительной жесткости внешних слоев заготовки по сравнению с внутренними. Очаг деформации характеризуется высокой неравномерностью течения металла и состоит из трех объемов. Объем  , расположенный непосредственно перед матрицей, отличается наибольшей интенсивностью течения металла. Объем  по мере развития деформации течет от периферии к оси заготовки, создает пережим в первом объеме - возникает вихревое движение металла. Объем  примыкает к пресс–шайбе, он увеличивается к концу прессования. Процесс прессования прекращают до момента входа этого объема в матрицу, т.к. начнется процесс «заворота» и снижение качества изделия ввиду вовлечения в готовое изделие окалины, окисление частиц металла с поверхности слитка, другой структуры металла.

 

В местах перехода контейнера в матрицу появляются мертвые углы, в которых металл испытывает упругую деформацию. Наряду с отрицательной ролью мертвых зон (увеличивают пресс–остаток), они играют некоторую и положительную. В мертвых зонах скапливаются различные загрязнения металла. При определенных условиях эти примеси могут попасть в готовое изделие.

 

Оборудование и инструмент для прессования.

 

Разнообразие металлов и сплавов, обрабатываемых прессованием требует наличия оборудования, позволяющих регулировать условия обработки (скорость, усилие прессования и др.).

 

Наибольшее применение получили гидравлические прессы с горизонтальным расположением рабочего органа усилием до 200мН, и с вертикальным расположением рабочего органа усилием до 10мН.

 

Для обеспечения работы гидравлического пресса он оборудован рядом механизмов, выполняющими такие операции, как подача слитка в нагревательную печь, отрезка пресс – остатка, его уборка, транспортировка слитка на ось прессования, подача и отделение пресс– шайб и др.

Горизонтальные гидропрессы.

 

Горизонтальные гидравлические прессы можно разделить на две группы:

 

1.       прессы с самостоятельным прошивным устройством,

2.       без прошивного устройства (прутково–профильные).

 

Обычно эти прессы работают от центральных насосно–аккумуляторных станций, подающих воду или эмульсию давлением

 

Для удобства рассмотрения конструкцию пресса (рисунок 5) условно разбивают на два основных узла: подвижный и неподвижный.

 

В состав подвижного узла входят: передняя траверса (1), механизм выдвижного стола (на рисунке не показан) и головки матрицедержателя (2), контейнеродержатель (4) с контейнером (5).

 

К неподвижному узлу относятся: главный цилиндр (7), главный плунжер (6), цилиндры обратного хода (8), прошивного устройства (12 и 13).

 

 

 

Рисунок 5- Горизонтальный пресс:

 

1 – передняя траверса; 2 – головка матрицедержателя; 3 – механизм клинового затвора; 4 – контейнеродержатель; 5 – контейнер; 6 – главный плунжер; 7 – главный цилиндр; 8 – цилиндр обратного хода главного плунжера; 9 – стяжные колонны; 10 – шплинтон (пресс-штемпель); 11 – игла; 12 – гидроцилиндр прошивного устройства; 13 – возвратные цилиндры прошивного устройства, 14 – ножницы (пила), 15 – направляющие главного плунжера и передней траверчы.

 

Подвижная головка с матрицедержателем служит для крепления и удержания матрицы. В момент прессования подвижная головка с матрицей замыкают отверстие втулки контейнера, а после окончания прессования с помощью выдвижного стола выдвигается из горловины передней траверсы. Движение подвигают головки, останавливается для операции отделения пресс - остатка.

 

Замыкающих механизм передней траверсы служит для удержания подвижной головки с матрице держателем и матрицей и прижимает ее к торцу контейнера.

Главный цилиндр пресса– мощная стальная отливка, установлен на фундаментальной раме и закреплен от смещения шпонками. Все продольные перемещения при удлинении стяжных колон осуществляется за счет передней траверсы пресса. В верхней части главного цилиндра сделано довольно большое отверстие для крепления клапана наполнения.

 

Плунжер главного цилиндра выполнен пустотелым для установки прошивного устройства. На конце плунжера закреплена траверса. Основание траверсы при движении главного плунжера скользит по так называемым траверсным плитам соединительной фундаментной плиты. Эти плиты должны быть строго выверены и их периодически проверяют на горизонтальность и износ, т.к. неправильное их расположение приводит к неточности прошивки и прессования. Их обильно смазывают, иногда они снабжены специальным регулировочным устройством.

 

Колонны фиксируют точное взаимное положение передней траверсы и главного цилиндра и несут полную нагрузку в процессе прессования. Поэтому строгая регулировка этих колонн при монтаже и их периодическая проверка затяжки является ответственной операцией, проведение которой фиксируется соответствующими документами.

 

Необходимо проверять расстояние между внутренними обработанными поверхностями приливов передней траверсы и главного цилиндра (разница мм.).

 

Гайки крупных колонн изготавливают разрезными или разъемными, что облегчает их установку. При монтаже пресса, после окончательной выверки расстояния наружных гаек, выполняют затяжку внутренних гаек под давлением главного плунжера и плунжеров прошивного устройства.

 

Передняя траверса и главный цилиндр соединены тремя стяжными колоннами  с внутренними и наружными гайками. Оба основных узла устанавливают на фундаментные рамы под переднюю крестовину, главный цилиндр и хвостовую часть пресса.

 

Контейнеродержатель выполнен из 2 половин, скрепленных болтами. Нижняя половина контейнеродержателя по высоте может регулироваться специальным устройством, а верхняя может сниматься для установки контейнера. К передней траверсе контейнер прикреплен двумя болтами, в некоторых конструкциях в контейнередержателе установлены электронагреватели.

 

Контейнер (рисунок 6) представляет собой массивную стальную отливку (сталь 50). Во внутреннюю расточку контейнера вставлена втулка, изготавливаемая из сталей 5ХНМ, 4ХНВ, 5ХНВ, ОХНЗМ и др. В большинстве конструкций втулка изготавливается составной с так называемой рубашкой. Втулка кренится в рубашке горячей посадкой и, кроме того, вся система сажается в корпус контейнера по горячей посадке.

 

Втулка контейнера служит приемником для нагретой заготовки, в ней происходит ее деформация, что вызывает большие термические и механические напряжения, приводящие к довольно быстрому износу.

 

 

Рисунок 6 -Контейнер.

 

В большинстве современных конструкций контейнер может передвигаться при помощи цилиндров, встроенных в переднюю или заднюю траверсы. Это устройство при большом его ходе и усилии позволяет также осуществлять прессование по методу обратного течения.

 

Контейнер нагревается, чаще всего, индукционный методом.

 

Матрица (рисунок 7). Матрица находится в непосредственном соприкосновении с нагретым

Большие удельные давления при истечении металла приводят к горячему истиранию ее поверхности. Отсутствие смазки наряду с вышеприведенными факторами требует применения наиболее стойких марок сталей, например таких как 3ХВ8; 4XB2C, 5ХВ2С 3ОХГСА, 5ХНМ. Основными элементами матрицы являются входной конус и формирующий поясок. При изготовлении, в зависимости от сложности сечения изделия и его размеров, высоту формирующего пояска принимают в пределах мм, а радиус закругления  мм.

 

 

Рисунок 7 - Матрица

 

При прессовании прутков, а также профилей, наружные размеры матрицы сохраняются, но входной конус не делается, для удобства отрезки пресс–остатка.

 

Расположение профиля на матрице должно выполнено с учетом равномерного истечения металла при прессовании. При несимметричном профиле его располагают сооcтно центру тяжести сечения и контейнера. Часто для уменьшения течения металла в матрицах делают дополнительные компенсирующие отверстия и разную высоту формирующего пояска ( чем больше тем меньше скорость течения). При проектировании и изготовлении профильных матриц необходимо уделять внимание на качество отделки. Особенно тщательно должен быть выполнен переход от входного конуса к формирующему пояску, параллельность стенок пояска, симметричность входного конуса (возможно скручивание).

 

При    прессовании     сложных     (закрытых)     профилей     с     внутренними     отверстиями ммприменение обычных матриц и игл становится невозможным. В этом случае применяют комбинированные матрицы (рисунок 8), объединяющие в себе еще и иглу. Обычно такие матрицы состоят из 2 деталей: основания и язычковой накладки, образующей внутреннюю полость трубы или профиля.

 

Прессуемый материал поступает через отверстия и попадает в камеру, откуда по кольцевому зазору прессуется полая заготовка.

 

 

Рисунок 8 - Комбинированная матрица.

 

Игла. Назначение иглы – прошивка отверстия в слитке и образование отверстия в прессуемой трубе или профиле. Размер игл небольшой, находятся под действием высоких температурных, силовых нагрузок, подвержены истиранию. После каждого цикла температура иглы достигает  выше, после чего ее интенсивно охлаждают маслом или водой. В целях повышения стойкости используют внутреннее охлаждение иглы. Игла испытывает продольный изгиб при пошивке: растяжение – во время прессования, ударный рывок – во время обратного хода; изгибающие усилия при неправомерном течении металла. Иглы выполняют с конусностью

 

 

Требования:

 

•       иглы должны быть не хрупкими (материал должен обладать высокой ударной вязкостью);

•       материал должен быть устойчив против отпуска, легко переносить резкую смену температур (стали 3Х2В8; 4ХВ2С).

 

Типы игл:

 

•       иглы, закрепляемые в шплинтон горизонтальных и вертикальных прессов без самостоятельного прошивного устройства, используются в прессах, работающих на просверленной заготовке;

•       плавающие иглы, не закрепленные в шплинтон пресса, работают также на просверленном слитке,

•       иглы, закрепляемые в самостоятельное прошивное устройство, работающие на сверленной заготовке, либо на цельной болванке.

•       специальные (бутылочные) иглы, применяются для прессования труб с малыми отверстиями (рисунок 9).

 

 

Рисунок 9 - Специальные иглы.

 

Профильные иглы служат для образования различных профильных отверстий и получения периодических профилей (Рисунок 10).

 

 

Рисунок 10 - Изделия, полученные с помощью профильных игл

 

Определение усилия прессования

 

По характеру силовых и деформационных условий процесс прессования можно разделить на четыре периода (рисунок 11):

 

 

 

Рисунок 11 - Типичный график усилия прессования

 

1.       распрессовка слитка в контейнере и заполнение металлом всего объема контейнера и очага деформации матрицы.

2.       начальная стадия прессования.

3.       течение основной массы металла из матрицы.

4.       течение захоложенной части слитка.

 

Соответственно полное усилие пресса состоит из четырех составляющих, которые преодолевает гидроцилиндр:

 

 

где  – усилие для осуществления деформации;

– усилие для преодоления сил трения слитка о боковые стенки контейнера;

– усилие для преодоления сил трения в боковых поверхностях очага деформации в матрице;

– усилие для преодоления сил трения в калибрующем пояске.

 

Составляющие полного усилия определяются по формулам И.Л.Перлина:

а) для сплошного профиля:

 

 

,

 

 – угол наклона образующей матрицы к ее оси (Рисунок 39);

 

,

где  – длина распрессованной заготовки;

 

          

, 

где  - площадь сечения контейнера;

 - площадь сечения изделия.

 

,

 

 

где  - поперечное сечение элемента контура;

 - средняя толщина стенок элементов профиля.

 

 

 

,

       где       – диаметр контейнера;

–   высота очага деформации;

–   коэффициент трения в контейнере;

 

 

; 

 где   – коэффициент трения в  матрице;

,

 где              – длина калибрующего пояска;

–   площадь поверхности калибрующего пояска.

–   коэффициент трения пояска;

 

б) для трубы

 

 

 

, 

 где – наружный диаметр трубы; – внутренний диаметр трубы;

 

        где       – коэффициент трения матрицы;

 

 

 

где       – коэффициент трения

матрицы;

, 

где              – коэффициент трения пояска.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1    Перечислите методы прессования (назначение, область применения, материалы, подвергающиеся прессованию)

2    Достоинства и недостатки прессования

3    Перечислите оборудования и инструменты применяемые при прессовании

4    Назначение иглы

5    Какие основные операции содержит процесс прессования? 

6    Перечислите основные показатели прессования . 

7    Недостатки и достоинства процесса прессования. 

8    Периоды силовых и деформационных условий процесс прессования