Материал: Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением

Введение

Обработка металлов давлением представляет собой важный технологический процесс металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки существенно улучшаются механические и другие свойства металлов.

Среди различных методов обработки литье под давлением занимает особое положение, поскольку данным способом производят изделия, пригодные для непосредственного использования в строительстве и машиностроении. Литьем под давлением получают также разнообразные виды заготовок, которые являются исходным материалом для других способов обработки.

Целью курсового проекта является разработка технологического процесса изготовления крепежной панели, входящей в состав стенда по испытанию интегральных микросхем при пониженном атмосферном давлении и определение себестоимости изделия.

давление деталь технологический

Глава 1. Основные теоретические положения

Обработка давлением - технологические процессы формоизменения за счет пластической деформации в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.

Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смешаются относительно друг друга на расстояния, большие межатомных, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

Для начала перехода атомов в новые положения равновесия необходимы определенные действующие напряжения, значения которых зависят от межатомных сил и характера взаимного расположения атомов (типа кристаллической решетки, наличия и расположения примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т.п.).

Так как сопротивление смешению атомов в новые положения изменяется непропорционально смешению, то при пластических деформациях линейная связь между напряжениями и деформациями обычно отсутствует.

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому под действием деформирующих сил деформация состоит из упругой и пластической составляющих, причем упругая составляющая исчезает при снятии деформирующих сил, а пластическая составляющая приводит к остаточному изменению формы и размеров тела.

В новые положения равновесия атомы могут переходить в результате смещения в определенных параллельных плоскостях, без существенного изменения расстояний между этими плоскостями. При этом атомы не выходят из зоны силового взаимодействия и деформация происходит без нарушения сплошности металла, плотность которого практически не изменяется. Скольжение одной части кристаллической решетки относительно другой происходит по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям скольжения). В реальных металлах кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых облегчает скольжение.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла.

Однако, создавая наиболее благоприятные условия деформирования, в настоящее время достигают значительного пластического формоизменения даже у материалов, имеющих в обычных условиях невысокую пластичность.

Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с обработкой резанием - возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда поскольку в результате однократного приложения деформирующей силы можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов давлением (см. ниже) способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением.

.1 Общие понятия

Изменение структуры и свойств металла при обработке давлением определяется температурно-скоростными условиями деформирования, в зависимости от которых различают холодную и горячую деформации.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов (рис.1, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).

Рис.1 Схемы изменения микроструктуры металла при деформации

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна. Так как в равномерном температурном поле скорость роста зерен по всем направлениям одинакова, то новые зерна, появляющиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла. Рекристаллизации протекает с определенной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т.д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механические свойства металла но влияет на некоторые его физико- химические свойства.

Так, в результате возврата значительно повышаются электрическая проводимость, сопротивление коррозии     холоднодеформированного металла.

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис.1, б).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению неоднородной структуры, снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие деформирующие силы (менее мощное оборудование).

Следует учитывать, что при обработке давлением заготовок малых размеров (малой толщины) трудно выдержать необходимые температурные условия ввиду быстрого их охлаждения на воздухе и от контакта с более холодным инструментом.

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

Влияние холодной деформации на свойства металла можно использовать для улучшения эксплуатационных свойств деталей. Управлять изменением свойств в требуемом направлении и на желаемую величину можно выбором рационального сочетания холодной и горячей деформаций, а также числа и режимов термических обработок в процессе изготовления детали.

Исходной заготовкой для начальных процессов обработки металлов давлением (прокатки, прессования) является слиток. Кристаллическое строение слитка неоднородно (кристаллиты различных размеров и форм). Кроме того, в нем имеются пористость, газовые пузыри и т. п. Обработка давлением слитка при нагреве его до достаточно высоких температур приводит к деформации кристаллитов и частичной заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке давлением слитка может увеличиться и плотность металла.

В результате деформации кристаллитов и последующей рекристаллизации металл получает мелкозернистое строение, т.е. размеры зерен после рекристаллизации исчисляются в сотых или десятых долях миллиметра, причем эти размеры примерно одинаковы по всем направлениям (равноосная структура).

Если слиток загрязнен неметаллическими включениями, обычно располагающимися по границам кристаллитов, то в результате обработки давлением неметаллические включения вытягиваются в виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла. Эти волокна выявляются травлением и видны невооруженным глазом в форме так называемой волокнистой макроструктуры (рис.2, а). Полученная в результате обработки давлением литого металла волокнистая макроструктура не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Последняя в зависимости от направления пластического течения металла может изменить лишь направление и форму волокон макроструктуры.

Рис.2 Макроструктура металла после обработки давлением

Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой характеризуется анизотропией (векториальностью) механических свойств. При этом показатели прочности (предел текучести, временное сопротивление и др.) в разных направлениях отличаются незначительно, а показатели пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость и др.) вдоль волокон выше, чем поперек их. так как направление волокон зависит от направления течения металла при деформировании заготовки в готовой детали желательно предусмотреть благоприятное с точки зрения се эксплуатации расположение волокон. При этом общие рекомендации следующие: необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а если какой-либо элемент этой детали работает на срез, то желательно, чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон; необходимо, чтобы волокна подходили к наружным поверхностям детали по касательной и не перерезались наружными поверхностями детали.

Выполнение этих требований не только повышает надежность детали (в том числе и при динамическом нагружении), но и улучшает другие эксплуатационные характеристики, например сопротивление истиранию.

Возможность воздействия обработкой давлением на расположение волокон, а следовательно, и на свойства деталей можно иллюстрировать следующим примером. В зубчатом колесе, изготовленном резанием из прутка (рис.2, б), растягивающие напряжения, возникающие при изгибе зуба 1 под действием сопряженного колеса, направлены поперек волокон, что понижает их надежность. При горячей штамповке зубчатого колеса из полосы (рис.2, в) волокна по-разному ориентированы в различных зубьях относительно наибольших растягивающих напряжений: в зубе 1 - вдоль волокон, а в зубе 2 - поперек. Следовательно, зубья оказываются неравнопрочными.

При изготовлении зубчатого колеса осадкой (рис.2, г) из отрезка прутка круглого сечения волокна получают почти радиальное направление. В этом случае все зубья равнопрочны, а наибольшие растягивающие напряжения, возникающие при изгибе, направлены вдоль волокон.

.2 Литье под давлением

При этом способе литья расплавленный металл подают в металлическую пресс-форму под принудительным давлением, что улучшает заполняемость формы и позволяет получать отливки сложных очертаний с толщиной стенки 1,0-3,0 мм, а в отдельных случаях 0,6 мм.

Для литья под давлением используются специальные машины. По способу передачи давления на расплавленный металл они подразделяются на машины поршневого и компрессорного действия. В поршневых машинах с горячей камерой сжатия (рис.3) жидкий металл из ковша заливают в тигель или ванну, подогреваемую извне, для поддержания требуемой температуры расплава. В ванне смонтирована камера сжатия с поршнем, соединенная каналом с литейной формой. При опускании поршня жидкий металл по соединительному каналу нагнетается в полость формы. После затвердевания отливки поршень возвращают в исходное положение, форму раскрывают для извлечения отливки и рабочий цикл повторяют вновь. Машины с горячей камерой сжатия используют преимущественно для изготовления отливок из сплавов с температурой плавления до 450° С (цинковых, свинцовых, оловянных). Давление на металл составляет 10- 100 кгс/см2.

Рис 3. Поршневая машина для литья с горячей камерой сжатия

(1 - тигель; 2- камера сжатия;- 3 - плунжер; 4 - отверстия для подвода жидкого металла в камеру сжатия; S - соединительный канал; 6 - прессформа)

В поршневых машинах с холодной камерой сжатия расплавленный металл заливают непосредственно в прессующий цилиндр в строго дозированном количестве, соответствующем массе металла отливки. Применяют машины с вертикальной и горизонтальной камерой сжатия. На рис. 4 показана последовательность изготовления отливки в машине с горизонтальной камерой сжатия. Мерную дозу расплавленного металла заливают в цилиндр (рис.4, а) и при помощи поршня нагнетают в полость формы (рис.4, б). После затвердевания металла отливки форму раскрывают, удаляют стержень (рис.4, в), поршень отводят в исходное положение и отливку вместе с литником выталкивают из формы (рис.4, г). Машины этого типа с гидравлическим приводом наиболее широко используют в промышленности. Отсутствие контакта внешней поверхности камеры с расплавленным металлом создает более благоприятные условия работы прессующего цилиндра, вследствие чего в цилиндре может создаваться давление до 2000 кгс/см2 и на машине можно изготовлять отливки. Из цветных сплавов с более высокой температурой плавления - Медных, алюминиевых, магниевых.