Пластическая деформация в локальном очаге: Методические указания к лабораторным работам (часть 1)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра технологии автоматизированного машиностроения

А.С. КИЛОВ, А.В. ПОПОВ, К.А. КИЛОВ

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ В ЛОКАЛЬНОМ ОЧАГЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ (ЧАСТЬ 1) Рекомендовано к изданию Редакционно- издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Оренбург 2004

ББК УДК

34.41 я7 К 39 001.891 (07) Рецензент кандидат технических наук, профессор И.Т. Казармщиков, кандидат технических наук, доцент К.Н. Абрамов

. К 39

Килов А.С., Попов А.В., Килов К.А. Пластическая деформация в локальном очаге: Методические указания к лабораторным работам (часть 1). – Оренбург.: ГОУ ОГУ, 2004. - 46 с.

В указаниях изложено содержание лабораторных работ. Приведены краткие теоретические сведения, дан порядок выполнения практической части работ и составления отчета, даны вопросы для самоконтроля и рекомендуемая литература. Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Технологические процессы и оборудование обработки пластическим деформированием», «Технология конструкционных материалов» для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста651400 − Машиностроительные технологии и оборудование специальностей: 120100 – Технология машиностроения и 120600 – Оборудование и технология повышения износостойкости и восстановления деталей машин и аппаратов.

К

2704070000

ББК 34.623 я73 © Килов А.С., 2004 © Попов А.В., 2004 © Килов К.А., 2004 © ГОУ ОГУ, 2004

1 Лабораторная работа №1. Изменение шероховатости и микротвердости поверхности при обкатывании роликом 1. 1 Цель работы Исследование влияния условий обкатывания роликом на шероховатость и твердость обрабатываемой поверхности. 1. 2 Общие сведения 1. 2.1 Характеристика методов обкатывания В современном машиностроении имеется тенденция к замене обработки металлов резанием обработкой давлением в холодном состоянии, дающей ряд преимуществ перед обработкой резанием, в частности, улучшение и упрочнение поверхностного слоя. Причем в производственных условиях такая замена используется как в случаях окончательной отделки поверхностей, предварительно подготовленных резанием, так и в процессе формообразования новых поверхностей. Механические способы упрочнения рабочих поверхностей деталей основаны на способности металлов к деформациям и соответствующему упрочнению поверхностных слоев металла в результате воздействия упрочняюще-калибрующего инструмента на обрабатываемую поверхность. Способы механического поверхностного упрочнения деталей машин выгодно отличаются от других методов упрочнения (термических, химикотермических, химических, электрохимических и других) тем, что при обработке давлением обеспечивают получение деталей с достаточно высокой точностью размеров (выше 7 - 8 квалитетов). Параметр шероховатости Rа, при этом, обеспечивают в пределах от 1,25 до 0,32 мкм. При поверхностной механической обработке происходит необходимое деформационное упрочнение металла. При этом в поверхностном слое обрабатываемого металла возникают обычно благоприятные остаточные сжимающие напряжения. При обработке наружных поверхностей тел вращения (валов) широкое применение в качестве отделочной операции получило обкатывание шарами и роликами. Под действием шара или ролика, твердость которого выше твердости обрабатываемого материала, происходит деформация выступающих неровностей обрабатываемой поверхности: металл выступов микронеровностей "растекается" в обе стороны, заполняя смежные впадины; шероховатость поверхности при этом уменьшается. Широко используют упрочняющую обработку при изготовлении деталей кузнечно-штамповочных машин и в особенности при обработке штоков штамповочных молотов. Упрочнение обкатной штока повышает его долговечность от четырех до шести раз. Схема деформации неровностей при обкатывании шаром или роликом показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема деформации неровностей при обкатывании шариком или роликом На схеме наглядно показаны две характерные зоны: первая зона с ∆h1 зона упругой и пластической деформации; вторая зона упругой деформации обратного знака или "упругого" восстановления высотой ∆h2. Как видно из схемы, при пластическом деформировании микронеровностей образуется не только новый рельеф поверхности, но и изменяются размеры детали. В месте контакта шарика или ролика с обрабатываемой поверхностью возникает объемно-напряженное состояние, которое приводит к изменению таких физических показателей поверхностного слоя металла как твердости, пределов текучести и прочности. Отмеченные показатели, полученные путем обкатывания шариком или роликом поверхности, зависят от режимов обкатывания, в том числе от усилия обкатывания Р, подачи S, диаметра шара d или диаметра ролика dр, числа рабочих ходов n. Высота микронеровностей в процессе обкатывания заметно уменьшается при увеличении контактного давления и уменьшении величины подачи. Высоту неровностей RZ, мкм, при обкатывании поверхности роликом или шаром можно рассчитать по формуле RZ = RZ 0 [1 − k C (104 − δ S ) lg( q / λ )] ,

где RZ0 - начальная высота неровностей, мкм; kc - коэффициент, зависящий от способа чистовой обработки: при обкатывании шариком kс = 0,0076;- при обкатывании роликом kс = 0,00715. λ - коэффициент, зависящий от характера распределения напряжений в очаге деформации: при обкатывании шаром λ = 6,0;при обкатывании роликом λ = 6,5. 2 δ S - предел текучести обрабатываемого металла, Н/мм ; q - величина давления накатывания, Н/мм2.

Опытами установлено, что для ориентировочных расчетов величину давления q можно принимать в пределах от 1,8 δ В до 2,2 δ В . Если известна сила накатывания Р, то q можно найти по формуле q=

0,126 ⋅ P ⋅ E ⋅ (D/d + 1 ) , D ⋅ b1

где Е - модуль упругости обрабатываемого материала, Н/мм2; b1 - ширина контакта ролика с обрабатываемой деталью, мм; D, d - диаметр обрабатываемой детали и ролика, соответственно, мм; Число рабочих ходов и скорость обкатывания в меньшей мере оказывают влияние на шероховатость поверхности. 1.2.2 Характеристика упрочнения В процессе обкатывания поверхности шариком или роликом происходит деформационное упрочнение поверхностного слоя. Глубина упрочненного слоя детали может колебаться в больших пределах, от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра. Степень упрочнения и величина остаточных напряжений изменяются по глубине упрочненного слоя. О степени упрочнения детали можно судить по результатам измерения твердости поверхностного слоя. 1.3 Инструмент, оборудование, материалы Для проведения лабораторной работы необходимы: трехкулачковый патрон, резец проходной, вращающийся центр, роликовый обкатник, токарновинторезный станок модели, например, 1К62М, профилограф-профилометр, прибор для измерения твердости, микрометр, цилиндрические образцы диаметром 80 мм из стали 45. 1.4 Порядок проведения работы 1.4.1 Установить заготовку в центрах станка, резец - в резцедержатель суппорта. 1.4.2 Установить режим резания: s = 0,3 мм/об; t = 0,2 - 0,5 мм; v = 2,5 м/с. 1.4.3 Проточить с одной установкой все участки заготовки. 1.4.4 Измерить микрометром диаметры всех участков в двух взаимноперпендикулярных сечениях. 1.4.5 Измерить среднее арифметическое отклонение профиля Rа на всех проточенных участках на профилометре.

1.4.6 Закрепить заготовку в центрах станка, а в резцедержателе в место резца установить роликовый обкатник (рисунок 1.2). 5 2 4 1

3 6

1 – патрон станка; 2 – заготовка; 3 – роликовый обкатник; 4 – резцедержатель; 5 – центр; 6 - динамометр Рисунок 1.2 – Схема работы обкатника 1.4.7 Установить режимы обкатывания: s = 0,2 мм/об, v = 0,5 м/с. 1.4.8 Установить для первого пояска усилие обкатывания P01 . Для этого, подвести обкатник до касания роликом поверхности первого пояска и вращением нагрузочного винта сделать подачу на 0,1 мм. Обкатать поясок за один рабочий ход. Повторить указанные приемы для остальных участков, последовательно изменяя давление обкатывания, каждый раз увеличивая подачу на 0,1 мм. 1.4.9 Обкатать различные участки с различной скоростью подачи s. 1.4.10 Измерить диаметры поясков и шероховатость их поверхности на всех участках. 1.4.11 Измерить твердость исходной и обкатанной поверхностей. 1. 5 Содержание отчета Отчет должен содержать: 1) эскизы образцов с указанием марки обрабатываемого материала, его характеристики, размеры до и после обработки; 2) схему установки, заготовки и обкатки; 3) расчеты теоретической высоты микронеровностей, полученные по формуле 1 и давления по формуле 2. Результаты опытов свести в таблицу. 4) графики зависимостей шероховатости поверхности от усилия и подачи. На графике провести горизонтальные линии, соответствующие границам областей шероховатости; 6) сделать выводы.

Таблица 1.1 – Сводная таблица опытных данных Твердость, Шероховатость Ra или Rz, НRC Режимы обповерхности поверхности катывания обкатанисходной ной v = 30 /мин s = 0,2 м/об Р01

RZ

Величина давления q

Примечание

R Z1

Р0 2

RZ 2

Р0 3

RZ 3

Р0 4

RZ 4

Р05

RZ 5

v = 30 /мин Р0 = 1000 H S1 S2 S3 S4 S5

Высота неровностей Rz

RZ 01

R Z1

RZ 02

RZ 2

RZ 03

RZ 3

RZ 04

RZ 4

RZ 05

RZ 5

1.6 Контрольные вопросы 1.6.1 Что в большей степени влияет на шероховатость обкатанной поверхности: величина давления или подачи? 1.6.2 От чего зависит глубина упрочненного слоя? 1.6.3 Как оценивается степень упрочнения детали? 1.6.4 Какие методы упрочняюще-калибрующей и формообразующей обработки металлов вы знаете?

2 Лабораторная работа №2. Кольцевая раскатка 2.1 Цель работы Ознакомиться с возможностями операций кольцевой раскатки и получить представления о практической реализации метода кольцевой раскатки. 2.2 Общие сведения В настоящее время в промышленности стремятся осуществлять повсеместное внедрение в производство ресурсосберегающие виды техники и технологии; позволяющие сократить расход металла и повысить производительность труда. К таким технологическим процессам относится и кольцевая раскатка. В зависимости от размеров обрабатываемой заготовки кольцевую раскатку осуществляют различными способами. Мелкие заготовки, массой до десятков килограммов, раскатывают на универсальных токарных станках по схеме сходной с приведенной на рисунке 1.2. Раскатку осуществляют путем воздействия на заготовку раскатным роликом, укрепленным в резцедержателе с помощью специальной державки. Средние кольцевые заготовки массой до сотен килограммов, полученные осадкой исходной заготовки с последующей ее прошивкой, раскатывают на специальной оправке на молотах или гидравлических прессах по схеме сходной с приведенной на рисунке 2.1. 2 1

3

1 – раскатываемое кольцо; 2 – боек пресса или молота; 3 - оправка Рисунок 2.1 – Схема кольцевой раскатки на оправке Процесс получения кольцевых заготовок сопровождается значительным перерасходом металла из-за больших припусков на размеры, вызванных тем, что полученная такой раскаткой заготовка не является кольцом, а представляет многогранник.

Крупногабаритные заготовки, массой в несколько десятков тонн, изготавливать традиционной ковкой на прессах или молотах не рационально, так как процесс сопровождается значительным перерасходом металла. Из-за больших припусков масса поковки, в ряде случаев превышает массу готовой детали до четырех раз. При этом коэффициент использования металла (КИМ) составляет менее 0,3. Большой расход металла является причиной высокой трудоемкости при механической обработке, причиной повышенного расхода режущего инструмента; непроизводительной загрузки высокоточных станков при черновой обработке деталей. При этом увеличиваются сроки изготовления корпусного оборудования, а получение поковок диаметром до 7 метров и высотой до 4 метров, необходимых для изготовления обечаек для реакторов, на существующих ковочных прессах не всегда возможно. Также возникает проблема транспортировки крупногабаритных заготовок, так как перевозить их по железной дороге невозможно, а перевозка заготовок водно - трейлерным путем требует значительных затрат на строительство специальных причалов и автомобильных дорог и подъездных путей, и носит сезонный характер. Разработана и предложена технология раскатки кольцевых заготовок с использованием раскатного стана, которая позволяет получить изделия высокой точности с минимальными припусками. Параметры получаемых на раскатных станах изделий следующие: диаметр до 8 метров и высота до 4 метров. Кольцевая раскатка позволяет сократить расход металла почти на 30 %. Наряду с этим уменьшается трудоемкость ковки до 25 % и механической обработки в два раза, снижается расход режущего инструмента, сокращается цикл изготовления крупногабаритных кольцевых изделий, частично высвобождаются производственные мощности сталеплавильного, кузнечнопрессового и механообрабатывающего производства предприятий энергетического машиностроения. Порядок изготовления кольцевых заготовок путем раскатки следующий: на специализированном предприятии выплавляют сталь, и отливают слитки массой до 360 тонн. Полученные слитки предварительно обрабатывают операциями ковки с получением кольцевой заготовки. Их обкатывают, отрубают донную часть, осаживают, прошивают и раскатывают на оправке с последующей термообработкой. На оправке заготовки раскатывают до размеров, позволяющих перевозить их по железной дороге, затем заготовки раскатывают на раскатном стане. Заготовку раскатывают на раскатном стане до заданных размеров с одновременной правкой в процессе раскатки, затем поковку подвергают окончательной механической обработке. При этом припуски назначают до двух раз меньше, чем при изготовлении обечаек без использования раскатного стана, но не меньше нижнего поля допуска на отклонение геометрической формы и размеров поковок.

Раскатку кольцевых заготовок проводят на раскатных станах вертикального или горизонтального типа. Схемы кольцевой раскатки представлены на рисунке 2.2. 5

7

8

5

а а - вертикального типа

б б - радиального типа

1, 2 - наружный и внутренний раскатные валки, соответственно; 3 раскатываемая заготовка; 4 - опорный стол; 5 - центрирующие (опорные) ролики; 6 - радиальные салазки; 7 – верхний и 8 – нижний опорные валки Рисунок 2.2 - Схема кольцевой раскатки на раскатных станах Процесс раскатки на раскатном стане вертикального типа (рисунок 2.2а) осуществляют при вертикальном расположении осей наружного 1 и внутреннего 2 валков параллельно оси раскатываемой заготовки 3. При этом заготовка торцевой поверхностью устанавливается на опорный стол 4 с радиальными салазками 6 и фиксируется в процессе раскатки центрирующими роликами 5 с одинаковыми усилиями прижима на входе и выходе заготовки. Раскатку кольцевых заготовок на станах горизонтального (радиального) типа (рисунок 2.2 б) осуществляют при горизонтальном положении осей наружного 1 и внутреннего 2 валков и заготовки 3. Основной конструктивной особенностью стана является отсутствие опорного стола. Его роль играют нижний 8 и верхний 7 опорные валки, перемещающиеся в процессе раскатки по направляющим. Эти же валки выполняют функцию центрирующих роликов. В соответствии с заданной областью применения раскатной стан обеспечивает изготовление кольцевых изделий прямоугольного сечения размерами: максимальный наружный диаметр 8000 мм, толщина стенки до 750 мм, высота от 500 до 4000 мм. Размеры исходных заготовок: максимальный

наружный диаметр 4500 мм, минимальный внутренний диаметр от 1450 мм, толщина стенки от 150 до 1000 мм, высота от 500 до 4000 мм. В лабораторных условиях горизонтальную раскатку крупных кольцевых заготовок моделируют на токарном станке и осуществляют также как и раскатку мелких заготовок. Материал раскатываемых заготовок: аустенитные и перлитные стали различных марок, в том числе, высоколегированные. 2.3 Задание 2.3.1 Ознакомиться с возможностями операции кольцевой раскатки. 2.3.2 Произвести кольцевую раскатку на геометрической модели кольца с получением кольца большего диаметра. 2.4 Указания по выполнению работы 2.4.1 В соответствии с методическими указаниями произвести моделирование кольцевой раскатки кольца на токарном станке. 2.4.2 Провести раскатку кольца на токарном станке с утонением стенки при различных режимах. 2.4.3 Установить оправку с помещенной на ней заготовкой в центрах станка, а в резцедержателе суппорта установить роликовый обкатник. 2.4.4 Раскатать кольцевую заготовку с изменением формы. 2.4.5 Измерить диаметры и шероховатость поверхности на обработанных участках. 2.4.6 Измерить твердость исходной и обкатанной поверхностей. 2.4.7 Выявить факторы, влияющие на параметры кольцевой раскатки. 2.5 Содержание отчета Отчет должен содержать: 1) цель работы; 2) общие сведения; 3) схемы раскатки на станах радиального и вертикального типа; 4) результаты практической части лабораторной работы; 5) сделать выводы по работе. 2.6 Контрольные вопросы 2.6.1 В чем эффективность процессов раскатки? 2.6.2 Показать возможности кольцевой раскатки. 2.6.3 Каковы диапазоны обрабатываемых заготовок? 2.6.4 Виды оборудования для раскатки. 2.6.5 Отличительные особенности раскатных станов.

3 Лабораторная работа №3. Торцевая раскатка 3.1 Цель работы Ознакомиться с возможностями операций торцовой раскатки и получить представление о практической реализации метода торцевой раскатки. 3.2 Общие сведения Отличительной особенностью операций раскатки от операций штамповки является локальный характер приложения деформирующего усилия и, в частности, к торцу обрабатываемой заготовки, что позволяет существенно снизить удельное и общее суммарное усилие деформирования. Результатом использования процессов раскатки является снижение расхода металла от 15 до 30 %, а трудоемкость изготовления деталей снижается до 30 %. Невысокая стоимость необходимой оснастки при большой ее стойкости обеспечивает эффективное использование процессов как в мелкосерийном, так и в крупносерийном производстве. Получаемые раскаткой изделия весьма разнообразны по форме, а именно, такими могут быть цельнокатаные (без оси) ролики рольгангов и ленточных транспортеров, баллоны, резервуары и ресиверы для сжатых и сжиженных газов (рисунок 3.1).

5

8

9

10

11

6

7

14

1 – 6 - герметичные сферические, эллипсоидные и параболические днища; 7 - фланцы трубопроводов; 8 - 11 - плоские и ступенчатые днища и горловины; 12, 13 - детали с внутренним выворотом; 14 - цапфы на роликах Рисунок 3.1 – Детали, получаемые из труб способом торцовой раскатки Процесс обеспечивает высокую точность и низкую шероховатость поверхности получаемого изделия, что в большинстве случаев позволяет исключить из процесса дальнейшую механическую обработку.

Также могут быть получены детали пневматических или гидравлических цилиндров, полые штоки с шаровой пятой, крышки амортизаторов, экраны и переходники для теплообменных аппаратов; стержни со специфической или конусной концовкой; трубчатые анкеры и металлоконструкции; ступенчатые валы, втулки и многое другое Одной из самых эффективных областей применения рассматриваемого процесса является получение утолщений на торцах трубы и получение деталей с наружными буртами или внутренними бортами или выворотами. На рисунке 3.2 показана деталь ролик ленточного транспортера, полученная из трубной заготовки путем ее торцевой раскатки, то есть выворотом торцевых участков вовнутрь. Экономия материала и снижение трудоемкости при изготовлении данной детали очевидны.

Рисунок 3.2 - Ролик ленточного транспортера, полученный торцовой раскаткой Заготовками для выполнения процессов раскатки являются трубы или отходы трубного производства, причем диапазон заготовок по диаметрам D от 20 до 630 мм, по толщине стенки S от 0,8 до 34 мм, по длине L - без ограничения. Отношение S / D допустимо от 0,02 до 0,1 Процесс и схема торцевой раскатки с внутренней оправкой показаны на рисунке 3.3.

а б а – без утонения стенки, б – с утонением стенки Рисунок 3.3 - Схемы торцевой раскатки с внутренней оправкой

Материал заготовок сталь углеродистая, среднеуглеродистая, инструментальная, а также некоторые марки легированной стали, цветные металлы и их сплавы. Торцовая раскатка с внутренней оправкой (рисунок 3.3) обеспечивается перпендикулярным расположением ролика оси вращающейся заготовки. При этом торцевая раскатка может проводиться как без утонения стенки, так и с утонением стенки получаемой детали. Большое значение на вид получаемого изделия имеет характер формоизменения заготовки. При раскатке заготовок с торца коническим инструментом (рисунок 3.4) может иметь место: - раскатка высадкой – наблюдается двустороннее течение металла в зоне контакта раскатного валка с заготовкой. В данном случае наблюдается плавное увеличение кривизны выпуклой свободной поверхности, образующегося бурта на протяжении всей операции формообразования. Процесс сопровождается уменьшением внутреннего диаметра заготовки (рисунок 3.4 б1); - раскатка отбортовкой –в начальной стадии раскатки у заготовки происходит преимущественное течение, контактирующих с валком, слоев металла, что приводит к вывороту этой части заготовки и к образованию острой кромки на периферийной части торцевой поверхности бурта (рисунок 3.4 б2). Причем, торцовую раскатку можно проводить как на установках без внутренней оправки (рисунок 3.4), так и с ней (рисунок 3.3).

а

б

а - схема раскатки; б - форма буртов, полученных в результате высадки и отбортовки, I - высадка; II - отбортовка. 1 - выталкиватель; 2 - шпиндель; 3 - подпятник; 4 - матрица; 5 - заготовка; 6 - деформирующий валок. Рисунок 3.4 - Раскатка наружного бурта

Формоизменение заготовок при торцевой раскатке проводят на высокопроизводительном автомате , или на токарном станке. При трении, в месте контакта заготовки с инструментом, заготовка локально разогревается в зоне обработки и, тем самым, теряет прочность лишь там, где это необходимо. 3.3 Задание Ознакомиться с возможностями операций торцовой раскатки. Провести торцовую раскатку трубы с получением наружного и внутреннего буртика. 3.4 Указания по выполнению работы 3.4.1Провести торцевую раскатку образцов трубы на токарном станке с получением фасонной заготовки и с утонением стенки при различных режимах осадки и отбортовки.. 3.4.2 Установить заготовку в центрах станка, «тупой» резец - в резцедержатель суппорта. 3.4.3 Раскатать торец заготовки с изменением формы (осадка, внутренняя и наружная отбортовка). 3.4.4 Определить шероховатость профиля различных участков заготовки. 3.4.5 Закрепить заготовку в центрах станка, а в резцедержателе вместо резца установить роликовый обкатник. 3.4.6 Повторить операции 3.4.2 – 1.4.4 3.4.7 Измерить диаметры и шероховатость обработанных участков. 3.4.8 Измерить твердость исходной и обкатанных поверхностей. 3.4.9 Выявить факторы, влияющие на торцевую раскатку. 3.5 Содержание отчета Отчет должен содержать: 1) цель работы; 2) описание общих сведений; 3) схему торцевой раскатки; 4) практическую часть работы и ее результаты; 5) выводы по работе. 3.6 Контрольные вопросы 3.6.1 В чем эффективность процессов раскатки? 3.6.2 Какие возможности торцовой раскатки? 3.6.3 Каков диапазон размеров обрабатываемых заготовок? 3.6.4 Каковы характерные особенности раскатки высадкой? 3.6.5 Каковы характерные особенности раскатки отбортовкой?

4 Лабораторная работа №4. Раскатка 4.1 Цель работы Ознакомиться с возможностями операций раскатки и получить представление о практической реализации метода раскатки. 4.2 Общие сведения Наряду с операциями штамповки в машиностроении, как и в металлургии, широко используют различные операции обработки заготовок пластическим деформированием с локализацией очага деформации. Такую обработку используют как для окончательной отделки поверхностей, предварительно подготовленных резанием, так и для формообразования новых поверхностей, в рамках замены обработки металлов резанием операциями обработки давлением в холодном или горячем состоянии. 4.2.1 Пластическое деформирование с локализацией очага деформации Тонкостенные детали, с толщиной стенки менее одного миллиметра, получают раскаткой (прокаткой) более толстых заготовок, так как проводить на них формоизменяющие операции штамповки сложно, а обрабатывать их резанием невозможно. Отличительной особенностью указанных операций от операций штамповки является локальный характер приложения деформирующего усилия, что позволяет существенно снизить удельное и общее суммарное усилие деформирования. Результатом использования указанных процессов является снижение расхода металла и трудоемкости изготовления деталей до 30 %, при этом также происходит деформационное упрочнение поверхностного слоя и это обеспечивается за счет получение напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя, в котором возникают, обычно благоприятные, остаточные сжимающие напряжения, что сопровождается соответствующим упрочнением металла. О степени упрочнения детали можно судить по результатам измерения твердости поверхностного слоя. Степень упрочнения и величина остаточных напряжений изменяются по глубине упрочненного слоя. В детали она может колебаться в больших пределах, от нескольких микрометров до десятых долей поверхностного слоя миллиметра. 4.2.2 Характеристика методов обработки с локализацией очага деформации К операциям обработки пластическим деформированием с локализацией очага деформации относится: прокатка, раскатка, обкатка и накатка.

4.2.2.1 Прокатка Прокатка бывает продольной, поперечной и винтовой. При прокатке металл втягивается в пространство между вращающимися валками под действием сил трения и обжимается (деформируется) в локальном очаге, изменяя форму и (или) размеры в зоне деформирования между валками. При продольной прокатке сечение (толщина) обрабатываемого материала уменьшается, а увеличивается его длинна. При поперечной штамповке происходит перераспределение материала на различных участках заготовки с диаметра в длину. Схема деформации металла валками показана на рисунке 4.1.

1- верхний валок; 2- прокатываемый материал; 3- нижний валок Рисунок 4.1 - Схемы продольной и поперечной прокатки Листы прокатывают в гладких валках, а прутки и профили – в валках, имеющих кольцевые канавки (ручьи) соответствующего сечения. Поперечной прокаткой изготавливают валы и другие вытянутые детали. Она позволяет перераспределять металл по длине заготовки и обеспечивает высокую производительность и экономию материала. Винтовой прокаткой изготавливают гильзы-заготовки (рисунок 4.2).

3

2

8

1 — валки; 2 —оправка на стержне; 3 — слиток или заготовка; 4 —конус прошивки; 5—калибровочный пояс;6— конус раскатки; 7 — конус выдачи; 8 гильза Рисунок 4.2 – Схема винтовой прокатки (прошивки) гильзы-заготовки трубы

При этом сплошная заготовка 3 деформируется валками 1, оси которых расположены под некоторым углом друг к другу. Заготовка в этом случае приобретает вращательное и поступательное движение. Из сплошной заготовки 3 образуется гильза 8 с внутренней неровной полостью. Оправка 4 придает гильзе правильную форму. Так получается гильза-заготовка 8, которая раскатывается в бесшовную трубу. Раскатку также применяют для уменьшения толщины стенки полых деталей полученных вытяжкой. 4.2.2.2 Вытяжка Вытяжкой получают из плоских листовых или полых заготовок, полые детали разнообразной формы не требующие, как правило, дальнейшей обработки, кроме обрезки неровного края. Полученные детали могут иметь диаметр (или длину) – от нескольких миллиметров до нескольких метров и толщину стенки – от десятых долей до десятков миллиметров. Вытяжку осуществляют в специальных штампах, рабочие органы которых: матрица со скругленной рабочей кромкой и пуансон. Если необходимо, то применяют прижимное кольцо. Между пуансоном и матрицей имеется зазор z, в который пуансон втягивает заготовку. Для изготовления деталей вытяжкой применяют листовой металл, обладающий высокими пластическими свойствами: низкоуглеродистую качественную и конструкционную низколегированную сталь, алюминий и различные его сплавы, медь латунь и другие металлы. Цилиндрические детали вытяжкой получают в один или несколько переходов (в зависимости от относительной высоты) (рисунок 4.3).

а)— изделие; б)—последовательность процесса 1—цилиндр; 2—дно; 3— заготовка; 4 — изделие Рисунок 4.3 - Схема последовательности изменения заготовки при вытяжке

Изготовление деталей вытяжкой осуществляется без нагрева заготовки, в холодном состоянии. Исключение – вытяжка толстолистового металла (толщиной свыше 20 мм), когда заготовку нагревают, для того чтобы снизить деформирующее усилие. При вытяжке заготовок из алюминиевых сплавов для повышения степени деформации за одну операцию применяют местный (локальный) электронагрев зоны пластической деформации. Вытяжкой за одну операцию можно получить относительно неглубокие детали, высота которых не превышает 0,8 диаметра. При вытяжке более высоких деталей растягивающие напряжения, возникающие в стенке, возрастают настолько, что может наступить отрыв дна. В связи с этим процесс вытяжки необходимо разделять на несколько переходов, что позволяет уменьшить радиальные растягивающие напряжения в стенках вытягиваемой детали. Способы вытяжки При вытяжке внешняя сила, передаваемая пуансоном, приложена к донной части вытягиваемой детали, краевая же ее часть остается свободной, не нагруженной внешними силами. Способы вытяжки разделены на два основных типа: 1) без искусственного уменьшения толщины стенки (вытяжка); 2) с искусственным, преднамеренным уменьшением толщины стенки. Вытяжка с утонением стенки может осуществляться с незначительным или существенным изменением диаметра, в том числе комбинированная вытяжка, при которой предварительно вытянутую заготовку раскатывают на оправке Вытяжка без утонения стенки характеризуется существенным уменьшением диаметра заготовки при приблизительно неизменной толщине стенки вытягиваемой детали. Зазор между пуансоном и матрицей в штампе равен (больше) толщины заготовки (z ≥ s). Вытяжка с утонением характеризуется существенным уменьшением толщины стенки при относительно малом уменьшении диаметра заготовки (рисунок 4.4). При вытяжке с утонением зазор z < s.

Рисунок 4.4 - Вытяжка с утонением через одну или несколько матриц

4.2.2.3 Раскатка Раскатывание и обкатку применяют для отделки и упрочнения цилиндрических, конических, плоских и фасонных наружных и внутренних поверхностей. Раскатка бывает: торцевая и кольцевая; с утонением стенки и с уменьшением сечения; с получением полых деталей из листовых заготовок. Раскатка с утонением стенки Полученные винтовой прокаткой гильзы раскатывают между валками для уменьшения ее толщины и получения бесшовных труб (рисунок 4.5 а). Такую же раскатку применяют для получения цилиндрических деталей, у которых толщина дна больше толщины стенок. К ним относятся: артиллерийские гильзы, гильзы стрелкового оружия, металлическая посуда с толстым дном, тюбики для пасты и пр. (рисунок 4.5 б). 4

2

а)

2

1

б)

а) – при получении бесшовных труб; б) – при получении разнотолщинных заготовок 1 – оправка; 2 – раскатные валки; 3 – гильза (раскатываемая заготовка); Рисунок 4.5 – Схема раскатки с утонением стенки Для этого на оправку 1 нанизывается гильза 3 и раскатывается между валками 2, имеющими ручей переменного сечения. Раскатка с уменьшением сечения Ее используют для получения полых деталей переменного сечения. Получаемые раскаткой изделия весьма разнообразны по форме, а именно, горловины цилиндрические и эксцентриковые; диффузоры и конфузоры; детали с шаровой пятой (шток гидроцилиндра) и сферическими днищами; «рубашка» на трубе и со вставной цапфой (рисунок 4.6).

11

6

22

3

7

4

9

8

5

10

20

1, 2, 3 - горловины цилиндрические и эксцентриковые; 4, 5, 6- диффузоры и конфузоры; 7, 8 - детали с шаровой пятой (шток гидроцилиндра) и сферическими днищами; 9 – «рубашка» на трубе и 10 - со вставной цапфой Рисунок 4.6 – Детали переменного сечения, получаемые из труб раскаткой Таким же способом могут быть получены детали пневматических или гидравлических цилиндров, полые штоки с шаровой пятой, крышки амортизаторов, экраны и переходники для теплообменных аппаратов; стержни со специфической или конусной концовкой; трубчатые анкеры и металлоконструкции; ступенчатые валы, втулки и многое другое Для выполнения такой раскатки заготовками являются отходы трубного производства или трубы, причем отношение S / D допустимо от 0,02 до 0,1. Диапазон заготовок по диаметрам D от 20 до 630 мм, по толщине стенки S от 0,8 до 34 мм, по длине L - без ограничения. Раскатка с получения полых деталей из листовых заготовок Раскатку (радиальную вытяжку) также применяют для получения полых деталей из листовых заготовок (рисунок 4.7).

а)

б)

Рисунок 4.7 – Схема раскатки и виды деталей, получаемые радиальной вытяжкой

Инструментом для проведения операций локальной деформации являются ролики, шарики, алмазные выглаживатели и стержни из инструментальной стали со сглаженным торцом. Инструмент постепенно перемещается относительно заготовки (преимущественно, вращающейся), перемещая тем самым и пятно контакта (локальный очаг деформации). По завершению обработки вся поверхность оказывается пластически деформированной, что позволяет не только перераспределить металл (зачастую в значительных объемах), но и сгладить микронеровности (убирать микровыступы и заполнять микровпадины). Невысокая стоимость необходимой оснастки, при ее большой стойкости обеспечивает эффективное использование процессов прокатки, раскатки и накатки, как в мелкосерийном, так и в крупносерийном производстве. Формоизменение заготовок при раскатке проводят на высокопроизводительных автоматах, или на токарном станке по схеме, аналогичной для обкатки роликом (рисунок 1.2), но при этом обкатной ролик может быть заменен стержнем из инструментальной стали (резец с затупленной наплавкой из твердого сплава). При трении, в месте контакта заготовки с инструментом, заготовка локально разогревается в зоне обработки и, тем самым, теряет твердость лишь там, где это необходимо. 4.3 Задание Ознакомиться с возможностями операций раскатки. Провести раскатку боковой поверхности трубы с получением заготовки переменного сечения и раскатку на оправке с утонением стенки. 4.4 Указания по выполнению работы Провести раскатку образцов трубы на токарном станке с получением фасонной заготовки и с утонением стенки при различных режимах. 4.4.1 Установить заготовку в центрах станка, «тупой» резец - в резцедержатель суппорта. 4.4.2 Раскатать участки заготовки с изменением формы. 4.4.3 Определить шероховатость профиля на различных участках заготовки. 4.4.4 Закрепить заготовку в центрах станка, а в резцедержателе вместо резца установить роликовый обкатник. 4.4.5 Повторить операции 4.4.2 – 4.4.4 4.4.6 Обкатать различные участки с различной скоростью подачи s. 4.4.7 Измерить диаметры и шероховатость поверхности на обработанных участках. 4.4.8 Измерить твердость исходной и обкатанной поверхностей. 4.4.9 Выявить факторы, влияющие на раскатку.

4.5 Содержание отчета Отчет должен содержать: 1) цель работы; 2) описание общих сведений; 3) схему раскатки; 4) практическую часть работы и ее результаты; 5) выводы по работе. 4.6 Контрольные вопросы 4.6.1 В чем эффективность процессов раскатки? 4.6.2 Какими возможностями обладает раскатка? 4.6.3 Каков диапазон размеров обрабатываемых заготовок? 4.6.4 Каковы характерные особенности раскатки?

5 Лабораторная работа №5. Изучение процесса упрочнения поверхности при ротационной ковке 5.1 Цель работы Исследование процесса упрочнения поверхности при ротационной ковке 5.2 Общие сведения Холодная пластическая деформация приводит к значительному изменению механических и физико-химических свойств металла. Совокупность всех этих изменений называется упрочнением или наклепом. 5.2.1 Характеристика упрочнения Процесс упрочнения отображается кривой упрочнения, которая показывает закон изменения истинного напряжения в функции степени деформации. Истинным напряжением называется напряжение, равное частному от деления текущего значения усилия деформирования на площадь поперечного сечения в данный момент деформирования:

σ ист = P/F Показателями формоизменения образца является: а) относительная степень деформации

ε

= (Н0 - Н)/Н0= (d0 - d)/d0,

где Н - высота образца в данный момент, мм Н0- начальная высота образца, мм d - диаметр образца в данный момент, мм d0~ начальный диаметр образца, мм б) истинная (логарифмическая) степень деформации

δ =lg(Н

0

- Н)/Н0 = lg(d0 - d)/d0

в) относительное изменение площади поперечного сечения среднее:

ϕ ср = (F

0

– F)/ F0

где F0 и F - площади поперечного сечения образца, соответственно до и после деформации.

σ

ε

σ

ϕ

Кривые упрочнения строятся в координатах или ист ист ср. Эти зависимости необходимы для определения усилий деформирования. Наиболее распространенным способом определения упрочнения является испытание на одноосное растяжение. По кривым растяжения строят кривые упрочнения, которые позволяют сравнивать различные материалы по склонности к упрочнению и определять модуль упрочнения для каждого испытанного образца. Испытание на растяжение позволяет получить равномерную относительную деформацию до 40 %. Но в реальных процессах во многих случаях степень деформации значительно превышает указанную величину и достигает от 60 до 90 %. Такую величину деформации можно получить при осадке, при этом вследствие наличия контактного трения на торцах заготовок, в ней возникает неравномерное объемное напряженное состояние и его проявлением является бочкообразность. Для устранения (уменьшения) контактного трения используются образцы специальной формы с торцевыми выточками, которые заполняют расплавленным парафином. 5.2.2 Штамповка на ротационно-ковочных и радиально-обжимных машинах На ротационно-ковочных и радиально-обжимных машинах выполняют операции по обжатию (редуцированию) изделий с вытянутой осью для получения сплошных и полых заготовок стержневого типа с цилиндрическими, коническими и ступенчатыми переходами. Обжатия проводят с нагревом исходной заготовки или в холодном состоянии с большим диапазоном размеров. Так на них изготовляют как швейные иглы диаметром 0,3 мм, так и стальные трубы диаметром до 320 мм. 5.2.2.1 Ротационно-ковочные машины (РКМ) Ротационно-ковочные машины предназначены для обжима и вытяжки изделий из черных и цветных металлов. На рисунке 5.1 показана схема устройства наиболее распространенных ротационных машин с вращающимися шпинделем в котором перемещаются штампы. На таких машинах обрабатывают изделия в форме тел вращения. Ротационно-ковочные машины (РКМ) имеют высокую производительность (до 600 поковок в час). Имеются также ротационно-ковочные машины, у которых бойки совершают возвратно-поступательное движение в неподвижных направляющих (вращается не шпиндель, а обойма). Такие машины позволяют получать изделия прямоугольного (квадратного) поперечного сечения.

а

б

а - штампы разомкнуты; б – штампы сомкнуты 1 – барабан; 2 –обойма; 3 – ролики; 4 — шпиндель; 5 – заготовка; 6 – матрицы штампа; 7 - бойки Рисунок 5.1 - Схема работы ротационно-ковочной машины Ротационно-ковочная машина состоит из станины, на стойках которой неподвижно укреплен барабан 1. В барабане размещена обойма 2 с роликами 3. В кольцевой обойме устанавливается четное число роликов 3, свободно сидящих в своих гнездах. В радиальных пазах шпинделя 4, вращающегося внутри обоймы 2, имеются радиальные пазы для ползунов, представляющих бойки 7 с матрицами 6 деформирующих штампов. На бойках ползунов имеются ролики. При вращении шпинделя 4 бойки с матрицами совершают возвратнопоступательное движение, центробежные силы заставляют ползуны расходиться в стороны, скользя по пазам шпинделя. Ролики бойков, ударяясь о ролики 3 обоймы 2, сходятся к центру. При этом матрицы штампов 6 наносят последовательные удары по заготовке5. При смыкании матрицы обжимают заготовку 5. После удара под действием центробежной силы бойки с матрицей расходятся. 5.2.2.2 Радиально-обжимные машины Работают эти машины с программным управлением и применяют их при изготовлении заготовок ступенчатых валов с цилиндрическими и коническими участками, а также для профилирования трубчатых заготовок. Высокая производительность машин этой группы при их сравнительно легкой переналадке позволяет успешно применять их как в крупносерийном, так и мелкосерийном производствах. Благодаря минимальным допускам заготовок, получаемых ковкой (в пределах от ± 0,2 до ± 0,4 мм на диаметр и ± 1 мм по длине ступени) значительно сокращается трудоемкость последующей механической обработки. Исходной заготовкой может служить прокат круглого и шестигранного сечения или трубы, нагретые до температуры ковки. На рисунке 5.2 показана кинематическая схема радиально-обжимной машины.

10 9

6

12 11

13

1 - корпус станины; 2 валы; 3 - эксцентриковые буксы; 4 – шатуны; 5 – бойки; 6 - копирные барабаны; 7 - гидроцилиндр; 8 – зажимная головка; 9 – наклонный паз; 10 – упорные кулачки с башмаками; 11 - реечная передача; 12 - обгонная муфта; 13 - электродвигатель Рисунок 5.2 - Кинематическая схема вертикальной радиально-обжимной машины От электродвигателя 13 через клиноременную передачу и систему зубчатых колес движение передается четырем ковочным механизмам включающим вертикально расположенные валы 2 с шатунами 4 на которых укреплены бойки 5. Во время ковки изделие проходит между этими бойками и деформируется. Бойки работают синхронно, обжим осуществляется с четырех сторон. Эксцентриковые валы вращаются в подшипниках скольжения, которые запрессованы в корпусе станка 1. Стаканы выполнены из стального литья и могут вращаться в бронзовых направляющих букс. Эксцентриковая букса 3 вращается в станине в бронзовых направляющих. К нижней части буксы прикреплена цилиндрическая шестерня, которая, обкатываясь по центральному зубчатому колесу, осуществляет поворот буксы, а, следовательно, сближение или разведение бойков 5. Между шатунами и бойками имеются, жестко связанные с ними ползуны, перемещающиеся в направляющей крестовине, совершающей покачивание в направляющих станины. Описываемые механизмы расположены в литой стальной станине 1, к которой крепят вертикальную станину подающего механизма. В этой станине расположены ползун с зажимной головкой 8, гидроцилиндр 7 вертикального

перемещения ползуна, копирные барабаны 6 перемещения заготовки, сближения бойков и обработки конусных изделий. В ползуне зажимной головки смонтированы механизмы зажима и вращения заготовки. Вращение клещей с заготовкой осуществляется от электродвигателя через зубчатую и червячную передачи и пружинную муфту, последняя удерживает заготовку от вращения в момент ковки. Скорость вращения регулируется сменными шестернями. Копирные барабаны 6 являются основной частью системы программного управления. Копирные барабаны перемещения и сближения бойков имеют по периметру ряд наклоненных пазов 9, в которые устанавливают упорные кулачки и башмаки 10. Специальные ролики, вступая в контакты с упорными кулачками или башмаками, производят переключение механизмов. Поворот барабанов через определенное число тактов осуществляется гидравлическим цилиндром через реечную передачу 11 и обгонную муфту 12 в соответствии с заданной программой. Машина имеет специальную систему смазки и охлаждения обжимного механизма. Машина снабжена манипулятором для транспортировки заготовок, от нагревательной установки к машине и откованных изделий к месту складирования. Обработка вхолодную позволяет получать изделия с чистой поверхностью, не требующей в ряде случаев обработки резанием. К преимуществам обработки на радиально-обжимных машинах следует отнести хорошую проковку металла и отсутствие рыхлости. 5.3 Задание Изучить процесс упрочнения поверхности при ротационной ковке, выявить факторы влияющие на упрочнение поверхности. 5.4 Порядок проведения работы 5.4.1 Инструмент, оборудование, материалы Для проведения лабораторной работы необходимы: машина ротационной ковки, профилограф - профилометр прибор для измерения твердости, микрометр, штангенциркуль, образцы из трубки, 5.4.2 Порядок выполнения работы Измерить диаметр заготовки в двух взаимно перпендикулярных сечениях, Измерить шероховатость и среднее арифметическое отклонение профиля Rа на профилографе. Устанавливать заготовку в машину ротационной ковки и провести обжатие в течение 3, 6, 10 и 30 секунд. После каждого обжатия измерить диаметр, длину, шероховатость и микротвердость поверхности деформирования.

5.4.3 Порядок обработки опытных данных Совершенную работу определить по формуле А = Nt η , где А - работа, Дж N - мощность электропривода, Вт t- время деформирования, с η - коэффициент полезного действия установки = 0.75, Для определения усилия деформирования работу деформирования разделим на путь Р = А/l. где Р- усилие деформирования, Н l - совершенный путь деформации, м, определяется как половина разности диаметров до и после деформирования l = ((d0 - d)/d0).10-3 где d - текущий диаметр заготовки, мм dо - исходный диаметр заготовки. Истинное сопротивление деформированию определим по выражению

σ

ист

= Р/F,

F - площадь деформируемой поверхности, м2 определяют из соотношения F= π d a10-6м2 где d - текущий диаметр заготовки, мм a - длина деформируемого участка заготовки, мм Так как диаметр заготовки изменяется, то будет изменяться и сопротивление деформированию. 5.5 Содержание отчета Указать цель работы, привести краткие сведения о процессе упрочнения. Результаты расчетов занести в таблицу, На основании табличных данных построить кривые упрочнения в координатах

σ

ист

-

ε

или

σ

ист

-

ϕ ср.

Таблица 5.1 - Условия и результаты опытов

Определяемая величина

Номер опыта и продолжительность упрочнения 1 2 3 3с 6с 10 с

Примечание 4 30 с

Диа метрр

Усилие Р, Н текущий d, мм исходный d0, мм Путь деформирования, м Мощность, Вт Истинное напряжение, σ s Относительная деф., ε Относительное изменение площади, ϕ ср Сделать выводы о проделанной работе, 5.6 Контрольные вопросы 5.6.1Что такое упрочнение? 5.6.2 Чем вызвано упрочнение? 5.6.3 Чем отличаются истинная деформация от относительной? 5.6.4 Как уменьшить трение при деформации? 5.6.5 Как определить работу деформации?

6 Лабораторная работа №6. Процесс резки пруткового материала на мерные заготовки сдвигом 6.1 Цель работы Определение усилия резки круглого проката и искажений геометрических размеров отрезанных заготовок 6.2 Общие сведения 6.2.1 Разделка проката на мерные заготовки Известно много способов разделки проката на мерные заготовки, в том числе, такие как газопламенная резка, резка фрезами, резцами и пилами как на специальном, так и на универсальном оборудовании, плазменная и лазерная резка, электроискровая и анодно-механическая резка и резка на установках взрывного типа, ломка в холодном состоянии. Наиболее распространенным методом получения заготовок из сортового проката является резка сдвигом на прессножницах. Существует несколько схем резки сдвигом: свободная резка, резка во втулках и в штампах. В отличие от типовых операций обработки давлением (ОД) пластическим деформированием, разделительные операции основаны на потере устойчивости материала. Протекают эти процессы с нарушением прочностных свойств и представляют собой неравномерный процесс с ярко выраженной локализацией очага деформации. Все схемы резки сдвигом характеризуются искажениями торцов заготовок, разница заключается лишь в величинах искажений и в степени подверженности им различных материалов. Резку сдвигом осуществляют на ножницах, на специальных или универсальных прессах. 6.2.1.1 Резка проката на ножницах Разделку проката на мерные заготовки преимущественно осуществляют в заготовительном отделении кузнечно-штамповочных цехов резкой на ножницах. Такая резка обеспечивает малоотходное разделение проката, высокую производительность и большую стойкость сменного инструмента (ножей). Схема свободной резки проката и вид оборудования показаны на рисунке 6.1.

а

б

1 – прокат; 2 - прижим; 3 - подвижный нож; 4 - упор; 5 - неподвижный нож; 6 – рольганг Рисунок 6.1 – Вид ножниц с рольгангом (а) и схема свободной резки сдвигом (б) на них В исходном положении прижим 2 и подвижный нож 3 находится над разрезаемым прутком, так что для подачи на отрезку очередной заготовки пруток 1 свободно перемещается рольгангом 6 между подвижным 3 и неподвижным 5 ножом до упора 4, фиксирующего заданную длину заготовки. Так как процесс резки является нестационарным, его рассматривают с учетом различных стадий. Сдвиговая резка металла происходит в три стадии: упругой деформации, пластической деформации и скола. В момент надавливания на пруток в нем возникают упругие деформации, которые стремятся повернуть и изогнуть его, в результате чего каждый из ножей касается прутка только частью своей поверхности и в этих частях происходит сжатие прутка и внедрение в него ножей. Рабочие кромки ножей соответствуют профилю и размерам сечения разрезаемого прутка. При внедрении в пруток режущих кромок образуются утяжки в зоне врезания ножей. Рабочие поверхности ножей стремятся опрокинуть пруток. Для удержания прутка от опрокидывания, на ножницах со стороны неподвижного ножа, на некотором расстоянии от него, устанавливается прижим. Со стороны подвижного ножа противодействия опрокидыванию нет и поэтому, отрезаемая часть отгибается, на заготовке образуется скос торца и вмятина от ножа (рисунок 6.2). Когда усилие резания достигает максимума, в местах контакта с режущими кромками ножей возникают скалывающие трещины. При достижении максимально возможной, для данной марки стали, величины внедрения ножей, образуются

встречные трещины, сначала со стороны нижнего, а затем и верхнего ножей, иногда их называют опережающими трещинами. При нормальной величине зазора нижние и верхние трещины сходятся, образуя сплошную криволинейную поверхность скола (зона г) и заготовка отделяется от прутка. На рисунке 6.2 схематично показаны искажения торцов заготовок, отрезаемых сдвигом. Скол характеризуется углами ϕп и ϕз, причем ϕп > ϕз из-за того, что на сжатие сверху действуют две силы сила прижима и сила реза.

m

а — зона смятия металла, б — зона утяжки металла, в — зона внедрения ножей и среза металла (блестящий поясок), г — зона скола металла от развивающихся трещин (1 — при нормальном зазоре); дефекты торца заготовки w вследствие неправильно выполненной резки (II— при увеличенном зазоре), у — торцовые трещины, скол, вырыв со сколом материала, т — заусенец, f - большая утяжка, х — косина среза, превышающая установленную норму, z — большое смятие Рисунок 6.2 - Вид отрезанной заготовки и характерные зоны на торцах отрезанной заготовки

Практикой установлена величина зазора между ножами при резке различного проката (таблица 6.1). Из нее следует, что нормальный зазор должен составлять от 2 до 4 % толщины разрезаемого металла. Таблица 6.1 - Величина зазора между ножами при резке на ножницах Диаметр круга или сторона До 50 51-80 81-100 101-120 121-150

квадрата мм %

зазор,

До 1,0 1-2,5 1,5-2,5 2 2 2-2,5

2,5-3,5 2,5-3

3,5-5 3-3,5

Нарушение величины зазора приводит к браку (рисунок 6.2). При малом зазоре, образуется козырьки на срезанной поверхности. При штамповке из таких заготовок на поковках образуются складки. Большой зазор вызывает большую утяжку и заусенец. Браком при резке также может быть большой скос, вырыв и поперечные трещины по месту скола. Фактический зазор между ножами при резке проката диаметром примерно 100 мм составляет от 5 до 6 %. Используемые ножи подразделяют на одно ручьевые и много ручьевые, цельные, составные и со сменными вставками. Виды ножей показаны на рисунке 6.3.

а

г

б

в

д

е

а - целые; б - со сменными вставками; в - составные; г – одинаковые по размерам и форме; д, е - разные по размерам и форме Рисунок 6.3 - Виды ножей применяемых при резке на ножницах

Усилие отрезки заготовок от прутка определяют по формуле: Р = к⋅Fср⋅σср или Р = 1,4 Fср⋅σср, где Р – усилие, МН, к - коэффициент притупления режущих кромок ножей принимается от 1,0 до 1,7; Fср - площадь сечения, разрезаемого металла, м2; σср - максимальное сопротивление срезу (сопротивление сдвигу) МПа, принимается от 0,7 до 0,8 предела выносливости обрабатываемого материала. К недостаткам процесса резки на ножницах относят низкую точность и высокую кривизну торца среза. Это снижает коэффициент использования метала (КИМ). Для уменьшения угла скола пруток располагают под углом к ножам от 84о до 87о, а угол заострения режущих кромок ножа (верхнего) принимают от 3о до 6о. Но эти мероприятия проще осуществить при резке проката во втулках и в штампе. 6.2.1.2 Резка во втулках В отличие от свободной резки резка во втулках характеризуется симметричными относительно плоскости сдвига условиями резки (рисунок 4). При резке во втулках пруток и отрезаемая заготовка не опрокидываются благодаря замкнутым рабочим поверхностям ножей-втулок. Это значительно улучшает качество торцов отрезанных заготовок: уменьшается скос, практически исключаются торцевые трещины при резке в холодном состоянии. Следовательно, с точки зрения качества отрезаемой заготовки, резка во втулках имеет преимущества перед свободной резкой.

Рисунок 6.4 - Схема резки проката во втулках

Однако область применения резки во втулках ограничена, главным образом, калиброванным прокатом. Это объясняется тем, что горячекатаный прокат имеет большие отклонения размеров сечения от номинала и для обеспечения свободного перемещения проката во втулках рабочие отверстия в них должны быть значительно больше номинального диаметра прутка. Увеличение диаметра отверстия во втулках приводит к опрокидыванию отрезаемой части прутка и при этом качество заготовок остается практически таким же, как и при свободной резке. Технологические параметры резки во втулках как геометрические, так и силовые практически не отличаются от параметров свободной резки сдвигом. 6.2.1.3 Резка в штампах Резка в штампах обеспечивает повышение точности размеров заготовки и качества реза. При резке прутков в штампах используют следующие схемы: а) резка закрепленного прутка с образованием естественного скола в результате образования опережающих сколов; б) резка радиально закрепленного прутка в отрезных штампах; в) резка прутка при осевом сжатии. Наилучшие результаты получаются при резке по последней схеме, так как обеспечивается пластический сдвиг части прутка относительно всего прутка, без образования опережающих сколов. К недостаткам данного способа кроме сложности осуществления следует отнести повышение энергетических затрат. Перспективность применения сдвигового процесса в том, что он обеспечивает точность заготовки не только по длине, но и по поперечным размерам, то есть, обеспечивает дозирование металла по массе, кроме того, качественная резка металла в штампе происходит при отношении длины заготовки к диаметру

L0 = от D0

0 . 5 до

0 .6

и даже до 0,3, в то время как при резке на ножницах она составляет больше 0,8. Усилие прессов при резке в штампах определяют аналогично процессу резки на ножницах, но вследствие большой скорости пресса его усилие увеличивают от 10 до 20 % и его определяют по формуле:

Р р = 1, 6 Fср σ ср . 6.2.1.4 Ломка прутков в холодном состоянии

Перед ломкой пруток размечают и надрезают. Скорость распространения трещин при наличии концентраторов напряжения (в надрезанных образцах)

достигает 1000 м/с. Это приводит к тому, что предел прочности достигается раньше. Данные свойства металла используют для разделки прутков на мерные заготовки в холодном состоянии. Надрез прутков самая трудоемкая операция. Длина надреза составляет от 15 до 40 % длины окружности, а его глубина от 3 до 8 % толщины заготовки. После надрезки заготовку поворачивают на 180о, устанавливают на опоры и со стороны противоположной надрезу прикладывают динамическое усилие, приводящее к разлому проката в зоне концентрации напряжения. 6.3 Задание

Произвести отрезку заготовок из круглого проката на ножницах с прямыми ножами и во втулках. 6.4 Порядок проведения работы

6.4.1 Перед проведением экспериментов рассчитывается усилие резки круглого проката по формуле: Р = τmax ⋅ F, где τmax - наибольшее удельное сопротивление срезу, МПа; τmax=кσu, 2

F - площадь поперечного сечения прутка,мм ; F =

πd 2 4

,

d - диаметр разрезаемого прутка, мм σu - предел прочности разрезаемого материала при температуре резки, МПа; к - коэффициент, зависящий от физических свойств разрезаемого материала (к = 0,5 - 0,75). Предел прочности σв определяется по справочной литературе. Соотношение между пределом прочности и наибольшим удельным сопротивлением срезу τmax принимается в виде: τmax ≈ 0,75σu. 6.4.2 Производят резку прутков диаметром 10 мм из различных материалов. 6.4.3 Производятся замеры искажений геометрической формы отрезанных заготовок согласно рисунка 6.2. Данные измерений записывают в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 - Сравнение величин искажений заготовок при свободной резке сдвигом и резке во втулках Вид торца

Торец прутка

Торец заготовки

Величина искажения ϕn Fn Bn Sn Un Mn ϕ3 F3 B3 S3 U3 M3 ϕn

Свобод ная резка сдвигом

Марка материала Способ резки Резка во втулках

6.5 Содержание отчета

Необходимо указать цель, привести эскиз отрезанной заготовки. Приводят выводы по качеству отрезанных заготовок и зависимости качества реза от марки материала. 6.6 Контрольные вопросы

6.6.1 Преимущества свободной резки. 6.6.2 Недостатки свободной резки 6.6.3 Преимущества резки во втулках 6.6.4 Недостатки резки во втулках 6.6.5 Искажения отрезанной заготовки

7 Лабораторная работа №7. Сравнительная характеристика процессов и полученных изделий при накатке и нарезании резьбы 7.1 Цель работы

Исследование и сравнение процессов накатки, нарезания резьбы и полученных при этом изделий. 7.2 Общие сведения

Резьбовое соединение - надежный вид крепления деталей машин и оно позволяет легко и просто проводить сборку, регулировку, разборку. 7.2.1 Характеристика резьбы

Резьба – это винтовая канавка, выполненная на наружной или внутренней цилиндрической поверхности. Резьба бывает наружная или внутренняя и характеризуется следующими параметрами: - профиль резьбы - сечение витка плоскостью, проходящей через ось цилиндра, на котором нарезана резьба; - нитка (виток) - часть резьбы, образуемая при одном полном обороте профиля; - угол профиля резьбы - угол, заключенный между боковыми сторонами профиля резьбы; - впадина профиля - участок, соединяющий боковые стороны канавки; - шаг резьбы - расстояние между двумя одноименными точками соседних витков, измеренное параллельно оси резьбы. По профилю резьба бывает цилиндрическая треугольная, коническая треугольная, прямоугольная, трапецеидальная, упорная и круглая. В машиностроении распространены три системы треугольной резьбы: метрическая, дюймовая и трубная. Метрическая резьба имеет угол профиля 60 градусов, характеризуется шагом и диаметром, которые выражены в метрической системе мер миллиметрах. Дюймовая резьба имеет угол профиля равный 55 градусам, наружный диаметр измеряется в дюймах (1 дюйм равен 25,4 мм), шаг характеризуется числом ниток на 1 дюйм, применяется редко. Трубная резьба имеет профиль дюймовой резьбы и характеризуется числом ниток, приходящихся на 1 дюйм, применяется для соединения труб.

7.2.2 Нарезание резьбы плашками и метчиками вручную

Инструментами для нарезания резьбы служат метчики (для внутренней резьбы) и плашки (для наружней резьбы). Их изготавливают из сталей марок У10А, У11А, У12А, 9ХС, ХВГ, Р6К5 и др. Для нарезания резьбы в отверстиях применяют комплект из двух или трех метчиков с различным диаметром рабочей части (черновой, средний и чистовой). Для отличия метчика на его хвостовике наносят круговые риски. Чистовой метчик (рисунок 7.1) имеет три круговые риски и служит для чистового нарезания резьбы, так как имеет полный профиль режущей части. 6

1 - квадрат; 2 - хвостовик; 3 - канавка; 4 - режущая часть; 5 - нитка (виток) резьбы; 6 - круговые риски Рисунок 7.1- Метчик Для вращения метчика применяют вороток, в квадратное отверстие которого вставляют квадрат метчика. Диаметр сверла для получения отверстия под резьбу определяется по таблицам или (с достаточной точностью) вычитанием из диаметра резьбы ее шага. Диаметр стержня должен быть равен наружному диаметру нарезаемой резьбы, но обычно его берут от 0,3 до 0.4 мм меньше для получения хорошего качества резьбы. Для нарезания наружной резьбы применяют плашки (рисунок 7.2) нескольких видов: круглые, квадратные, шестигранные и раздвижные призматические. Круглую плашку закрепляют в воротке (плашкодержателе), а раздвижную призматическую - в рамке клуппа. Перед нарезанием резьбы у стержня и в отверстии необходимо снять фаски. Рабочие части инструмента и заготовки необходимо смазать. В качестве смазочных веществ применяют эмульсию, керосин, машинное масло. Метчик надо вставить в отверстие и по угольнику проверить его соосность с обрабатываемой поверхности. Плашку следует наложить на нарезаемый конец стержня так, чтобы плоскость плашки была перпендикулярна к оси стержня, а клеймо находилось внизу.

а

б а – цельная; б – разрезная Рисунок 7.2 - Круглые плашки

При вращении метчика и плашки необходимо делать один или два оборота в рабочем направлении и пол-оборота в обратную сторону для дробления стружки и предупреждения заедания инструмента. 7.2.3 Нарезание резьбы на токарно-винторезных станках

На токарно-винторезных станках резьбу нарезают с помощью метчиков, плашек, резьбовых резцов и других инструментов. Форма режущих лезвий резцов определяется профилем и размерами поперечного сечения резьбы. Резьбовой резец устанавливают на станке в резцедержателе по шаблону, затем настраивают станок. Нарезание резьбы относится к числу наиболее точных работ, выполняемых на токарно-винторезных станках. При этом осуществляется два согласованных между собой движения: вращение детали и продольная подача суппорта с резцом от ходового винта. Подачу устанавливают в зависимости от шага резьбы переключением рукояток коробки подач. Станки чаще всего снабжаются набором сменных зубчатых колес с числом зубьев, делящимся на 5 (от 20 до 120). В наборе зубчатых колес есть колесо с числом зубьев 127, применяемое при нарезании на станках дюймовой резьбы. Современные токарно-винторезные станки имеют четыре сменных зубчатых колеса, которые при различных зацеплениях в сочетании с использованием коробки подач позволяют нарезать резьбу в широком диапазоне шагов. На токарно-винторезных станках полный профиль резьбы нарезают резцом за несколько проходов. После каждого прохода резец может быть установлен на определенную глубину резания двумя способами: перемещением перпендикулярно к оси детали и параллельно его режущей кромке. Перемещение резца на глубину резания от 0,02 до 0,05 мм перпендикулярно к оси обрабатываемой детали позволяет получить чистую поверхность резьбы. Применяют этот способ при нарезании резьбы с шагом до 2 мм.

Перемещение резца на глубину резания от 0,1 до 0,2 мм параллельно правой режущей кромке дает возможность нарезать резьбу с шагом свыше 2 мм. При этом левая сторона впадины резьбы получается чистой, а правая шероховатой, требующей дополнительной обработки. Перемещение резца осуществляется при помощи верхних салазок суппорта, которые должны быть повернуты на угол, равный половине угла S при вершине в плане. Перемещение резца с положительным передним углом на глубину резания параллельно правой режущей кромке позволяет применять глубину резания от 0,3 до 0,5 мм, но шероховатость поверхностей профиля резьбы при этом получается высокая. Поэтому данный способ можно использовать лишь для предварительного (чернового) нарезания крупной резьбы. При нарезании резьбы различают четную резьбу, шаг которой кратен шагу ходового винта и нечетную. При нарезании четной резьбы можно выключать разъемную гайку в суппорте после каждого прохода и быстро возвращать суппорт в исходное положение вручную, не останавливая станок. При последующем проходе резец автоматически попадает во впадину резьбы, здесь отвод резца в исходное положение связан с реверсированием подачи и вращения шпинделя станка. На детали, закрепленной в патроне токарно-винторезного станка, наружная резьба может быть выполнена плашками, которые предварительно закрепляют в воротке, а резьба в отверстиях - метчиками, вставленными в вороток. Многозаходную резьбу нарезают так же, как и однозаходную, только после получения одной винтовой нитки деталь поворачивают с помощью делительного приспособления на определенный угол, зависящий от числа заходов. 7.2.4 Накатка резьбы

Формообразование фасонных поверхностей в холодном состоянии методом накатки имеет свои преимущества, главными из которых являются высокая производительность, низкая стоимость обработки и высокое качество обработанных деталей. Накатанные детали имеют более высокую механическую и усталостную прочность. Это можно объяснить тем, что при формообразовании накаткой волокна исходной заготовки не перерезаются, как при обработке резанием, а как бы повторяют профиль детали. Поверхность накатанных деталей упрочняется, они становятся более износостойкими. Профиль накатываемых деталей образуется в результате вдавливания инструмента в материал заготовки и выдавливания части материала во впадины инструмента. Такие методы сочетают в себе функции черновой, чистовой и отделочной обработок, и их используют для получения резьбы, валов с мелкими шлицами и зубчатых мелкомодульных колес.

Накатку резьбы производят обычно до термической обработки, хотя точные резьбы можно накатывать и после нее. Распространенным методом накатки резьбы является формирование ее плашками (рисунок 7.3).

1 - неподвижная плашка; 2 - заготовка; 3 - подвижная плашка Рисунок 7.3 - Схема накатки резьбы плашками Заготовка 2 помещается между неподвижной 1 и подвижной 3 плашками, на рабочих поверхностях которых нарезан рельеф, профиль и расположение которого соответствует профилю и шагу накатываемой резьбы. При перемещении подвижной плашки заготовка катится между частями инструмента и на ее поверхности образуется резьба. Резьбу можно также формировать роликами (рисунок 7.4).

1 - ролик; 2 - заготовка; 3 - перемещаемый ролик Рисунок 7.4 - Схема накатки резьбы роликами Ролики 1 и 3 получают принудительное вращение, заготовка 2 свободно обкатывается между ними. Ролику 3 придается радиальное движение для вдавливания в металл заготовки на необходимую глубину. Обработка роликами требует меньших сил. С помощью роликов накатывают резьбы с более крупным шагом, чем с помощью плашек. 7.3 Задание

Получить резьбу каждым из трех рассмотренных способов и сравнить процесс получения и качество резьбы.

7.4 Порядок проведения работы

7.4.1 Для проведения лабораторной работы необходимы следующие инструменты, оборудование, материалы: - токарно-винторезный станок модели 1К62М; - трехкулачковый патрон; - резец резьбовой; - вращающийся центр; - плашка с держателем; - резьбонакатный станок; - прибор для измерения твердости; - микрометр; - стальные цилиндрические образцы диаметром 12 мм. 7.4.2 Установить заготовку в центрах станка, а резец в резцедержателе суппорта. 7.4.3 Проточить заготовки под резьбу М12×1,75. 7.4.4 Измерить микрометром диаметры образцов в двух плоскостях (взаимноперпендикулярных). 7.4.5 Произвести нарезание резьбы на образцах диаметром 11,6 мм с помощью плашки и на токарном станке резцом, а также накатать резьбу на образце диаметром 10,25 мм. 7.4.6 Сравнить процессы нарезания и накатывания резьбы, а также полученные изделия по шероховатости поверхности резьбы и ее твердости. 7.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать: 1) цель работы; 2) краткое описание процессов нарезания и накатывания резьбы; 3) схему установки для накатки резьбы; 4) расчеты экономии материала на 50 мм длины резьбы; 5) выводы по сравниваемым процессам. 7.6 Контрольные вопросы

7.6.1 Назначение резьбового соединения. 7.6.2 Способы получения резьбы. 7.6.3 Преимущества процесса нарезания резьбы. 7.6.4 Преимущества процесса накатки резьбы перед нарезанием. 7.6.5 Недостатки накатки резьбы.

8 Литература, лабораторных работ:

рекомендуемая

для

выполнения

1 Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. - М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2000. - 480 2 Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю Технология холодной штамповки. – М.: Машиностроение, 1989. - 304 с. 3 Машины и технологии обработки металлов давлением: Лабораторные работы/ Под редакций Живова Л.И. и др. Киев: «Вища школа», 1975,196 с. 4 Методическое пособие по лабораторным работам./ Под общ. ред. Фейгина М.М. Омск: «Омская правда», 1972, 188 с. 5 Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. - М: Машиностроение, 1990. – 352 с. 6 Богоявленский К.Н., Елкин Н.М., Каспаров И.А. и др. Оптимизация режимов обработки при раскатке профильных колец // Кузнечно-штамповочное производство. – 1987. - № 10. – С.10. 7 Елецкий С.А., Решетников В.А., Телеш В.В. и др. Внедрение технологии раскатки кольцевых заготовок для производства оборудования АЭС // Кузнечно-штамповочное производство. – 1987. - № 10. – С.16. 8 Технология металлов и конструкционные материалы. / Под редакцией Б.А.Кузмина. - М.: Машиностроение, 1981. - 351 с. 9 Капорович В.Г. Ротационная обкатка металлоизделий из труб // Изобретатель и рационализатор. - 1992. - № 2. – С.2. 10 Еленев С.А. Холодная штамповка. - М.: Высшая школа, 1988. - 220 с.