Характеристики деформации при прессовании

 

При прессовании металл, заключенный в приемнике-контейнере, выдавливается через отверстие в матрице и получает форму поперечного сечения, соответствую­щего форме отверстия матрицы.

Прессование иногда называют выдавливанием, экструдированием. Прессование применяют для производст­ва сплошных и полых профилей, в частности труб по­стоянного и переменного по длине сечения. Прессован­ные полуфабрикаты близки к профилям, получаемым прокаткой.

Прессование применяют также для изготовления поковок, имеющих форму стержня постоянного или пе­ременного сечения с утолщением на конце (например, клапан двигателя внутреннего сгорания). Прессованием получают стержневые элементы таких поковок.

Различают два основных вида прессования: с прямым и обратным истечением металла.

При прессовании с прямым истечением (рисунок 29) металл выдавливается из контейнера так, что пресс-шайба пуансоном перемещается относительно сте­нок контейнера при отсутствии перемещения матрицы относительно стенок. При этом перемещаться в пространстве может как контейнер, так и пуансон. При прес­совании с прямым истечением заготовка перемещается относительно стенок контейнера и на контактной по­верхности появляются силы трения, затрудняющие ее перемещение.

 

 

1 – металл; 2 – контейнер; 3 – пресс-шайба; 4 - пуансон

Рисунок 29 – Схема прессования с прямым истечением металла

 

Разновидностью прессования с прямым истечением является прессование с боковым истечением (рисунок 30).

Процесс гидропрессования является также разновид­ностью прессования с прямым истечением и заключается в том, что металл из контейнера выдавливается через отверстие матрицы не действием пуансона, как в обычном процессе, а действием жидкости, подавае­мой в контейнер под высоким давлением (рисунок 31).

Металл в этом процессе изолируется от инструмента жидкостью, движущейся в направлении истечения с большей скоростью, чем металл. Вследствие этого тре­ние металла об инструмент заменяется трением о жид­кость. При этом силы трения направлены в сторону ис­течения и тем самым снижают потребное усилие. При большой вязкости жидкости дополнительные напряже­ния растяжения, вызываемые силами трения, могут пре­высить основные сжимающие напряжения, что приво­дит к разрушению

прутка. Область применения гидропрессования ограничивается температурными усло-

виями.

Рисунок 30 – Схема прессования с боковым истечением	Рисунок 31 – Схема гидропрессования

При прессовании с обратным истечением (рисунок 32) матрица перемещается пуансоном относительно сте­нок контейнера. При этом перемещаться в пространстве может как контейнер, так и пуансон.

При прессовании с обратным истечением заготовка относительно стенок контейнера не перемещается, за исключением небольшого объема вблизи матрицы. По­этому влияние трения на усилие прессования и течение металла в этом процессе значительно меньше, чем при прессовании с прямым истечением.

Иногда применяют совмещенное прессование, при котором прямое и обратное истечение металла проис­ходят одновременно или последовательно. На рисунке 33 представлена схема процесса совмещенного прессования сплошного профиля.

Прессованием можно получать сплошные и полые профили с плавным или ступенчатым поперечным се­чением по длине. Для этого применяют сменные матри­цы или разъемные матрицы с перемещающимися час­тями, конические и перемещающиеся иглы.

Рисунок 32 – Схема прессования с обратным истечением	Рисунок 33 – Схема совмещенного прессования

 

Прессование обладает много преимуществами по сравнению с другими процессами обработки метал­лов давлением – прокаткой, волочением, ковкой:

1. Механическая схема дефор­мации (всестороннее сжатие с одной деформацией растяжения), характеризующая процесс прес­сования, является схемой, обе­спечивающей наибольшую пластичность деформируемого металла, поэтому прессованием можно деформировать малопластичные по природе металлы и сплавы, которые другими методами деформировать невозможно.

2. Прессованием можно получать сплошные и полые профили очень сложной формы поперечного сечения (рисунок 34) – трубы с наружными и внутренними продольными и поперечными ребрами, полые профили с несколькими каналами сложной формы и т.п.

Размеры и форму поперечного сечения можно плавно или ступенчато изменять по

длине профиля.

 

Рисунок 34 – Прессованные профили

 

3. При прессовании легко осуществляется переход с одного профиля на другой простой заменой матрицы. Поэтому прессование целесообразно применять при мелкосерийном производстве даже таких профилей, которые можно изготовлять прокаткой.

4. При прессовании обеспечивается высокая точность размеров сечения по сравнению с горячей прокаткой, так как упругие деформации инструмента ничтожны.

Вместе с тем прессование имеет следующие недостатки, которые ограничивают область его применения:

1. Механическая схема деформации, обеспечивающая высокую пластичность, требует повышенного усилия для деформации. Это создает тяжелые условия службы матрицы. При прессовании нагретого металла усилие снижается, но ус­ловия службы инструмента ухудшаются. В связи с этим инстру­мент изготовляют из сложнолегированных сплавов, производят частую его смену.

2. Прессованные изделия характеризуются значительной неравномерностью свойств по сечению и длине в результате неравномерности деформации (более резко выраженной, чем при прокатке). Степень неравномерности деформации, а следовательно, и свойств изделий зависит от следующих основных факторов:

1) температуры прессуемого металла и инструмента;

2) трения на поверхностях контакта металла с инструментом;

3) степени деформации;

4) скорости прессова­ния и истечения;

5) прочностных свойств прессуемого металла.

Для снижения усилия прессования металлов с повышенной прочностью прессование осуществляют при высоких температурах. Вследствие этого неизбежно значитель­ное охлаждение периферийных слоев металла, соприкасающихся с инструментом, особенно в обжимающей части пластической зоны вблизи матрицы. Внутренние слои (более горячие) имеют пониженное сопротивление деформации и стремятся переме­ститься быстрее наружных, что приводит к неравномерности де­формации по сечению. Выравнивание скоростей течения по се­чению прутка вследствие его целостности приводит к появлению дополнительных напряжений растяжения в наружных слоях и сжатия в центральных.

При прессовании температура неодинакова и по длине прутка: задний конец обычно имеет пониженную температуру по сравне­нию с передним – из-за большей длительности контакта с инст­рументом. В связи с этим предлагают нагревать заготовку не­равномерно: наружные слои и ее задний конец до более высокой температуры по сравнению с внутренними слоями и передним концом. Это компенсирует неравномерность охлаждения при прессовании. Однако при значительном перепаде температуры по сечению наружные слои горячее внутренних и могут течь быстрее их. В результате во внутренних слоях появятся дополни­тельные напряжения растяжения, что может привести к внутрен­ним разрывам.

Трение, как и во всех процессах обработки металлов давле­нием, увеличивает неравномерность деформации и потребное усилие. Трение сдерживает течение металла периферийных сло­ев. Для снижения трения при прессовании применяют смазку ин­струмента или заготовки. При прессовании нагретого металла смазка должна иметь незначительную теплопроводность, чтобы уменьшить охлаждение поверхности заготовки и нагрев инструмента. Смазка уменьшает трение, а, следовательно, и неравномерность деформации и усилие.

Повышение степени деформации увеличением сечения заго­товки или уменьшением сечения изделия приводит к неравномерности деформации. Однако при высоких степенях деформации разница в свойствах частей прессованного изделия, получивших различную степень деформации, будет уменьшаться в связи с уменьше­нием интенсивности упрочнения с ростом степени деформации. Поэтому прессование осуществляют большими степенями дефор­мации для получения изделий с равномерными свойствами. Если прессованное изделие в дальнейшем не подвергается обработке давлением (прокатка, волочение), то вытяжка должна быть не менее десятикратной; если прессуют заготовку для дальнейшей обработки давлением, то вытяжка должна быть не менее пяти­кратной.

Скорость прессования определяет длительность контакта прессуемого металла с инструментом. При прессовании с нагре­вом заготовки для уменьшения охлаждения металла и разогре­вания инструмента скорость прессования должна быть большой (чем больше скорость, тем равномернее деформация). Однако при повышении скорости прессования увеличивается сопротивле­ние деформации и потребное усилие. При прессовании сплавов, имеющих узкий температурный интервал пластичности, увели­чение скорости прессования приводит к снижению пластичности в связи с повышением температуры из-за выхода тепла дефор­мации.

3. При прессовании по сравнению с прокаткой получается больший расход металла из-за необходимости осуществлять прессование не до конца, оставляя пресс-остаток.

Указанные преимущества и недостатки прессования ограни­чивают область его применения производством профилей из ма­лопластичных металлов и сплавов, профилей сложной формы, при мелкосерийном изготовлении профилей.

Основным деформационным параметром, характеризующим процесс прессования, является степень деформации.

Степень деформации при прессовании оценивают коэффици­ентом вытяжки, равным отношению площади сечения заготовки к площади сечения готового изделия, т. е.

 

, (46)

где – коэффициент вытяжки при прессовании;

и – соответственно площадь поперечного сечения заготовки до прессования и после прессования, мм².

 

Степень деформации может оцениваться истинной деформацией, являющейся

натуральным логариф­мом коэффициента вытяжки

 

, (47)

где – истинная деформация при прессовании.

 

Оба показателя степени деформации являются условными. В действительности степень деформации различна по сечению и по длине прутка.

Основным энергосиловым параметром при прессовании является усилие прессования. Усилие прессования складывается из следующих основных составляющих:

а) усилия, затрачиваемого на формоизменение металла в обжимающей части;

б) усилия, затрачиваемого на перемещение частиц металла в пластической зоне, т.е. в объеме слитка вне обжимающей части;

в) усилия на преодоление трения по контактным поверхностям контейнера

и матрицы.

Полное усилие прессования – сумма этих составляющих.

Силовые условия прессования определяются свойствами деформируемого металла, температурным режимом, размерами заготовки, скоростью и степенью деформации, величиной контактного трения, геометрией инструмента. К сожалению, в настоящее время еще не разработана методика, позволяющая связать все эти факторы в математическое выражение для определения усилий прессования.

Хорошие результаты при определении усилия выдавливания металла с прямым истечением дает формула Е.П. Унксова, которая имеет следующий вид:

 

, (48)

где – усилие прессования, МН;

– сопротивление металла пластической деформации при прессовании, МПа;

– длина заготовки в момент начала выхода металла из формующей цилиндрической части матрицы, мм;

– соответственно диаметр заготовки и диаметр изделия (диаметр цилиндрической части очка матрицы), мм;

– угол при вершине конуса матрицы, рад;

– длина цилиндрической части очка матрицы, мм.