Основные операции формовки материалов: процессы и механика

Введение

Краткий обзор базовых операций формовки с акцентом на механику процессов. Рассматриваются вариации и технологические аспекты.

1. Прокатка

Финальное сечение редко получают за один проход. Обычно — несколько проходов на разных станах в непрерывной линии (прокатный цех). При прокатке полос используют одну пару валок, регулируя зазор верхней валкой. Для экономии манипулирования применяют реверсивные стана или трёхвальные схемы.

При горячей прокатке минимизируют время между проходами (охлаждение заготовки). Подпорные валки облегчают перемещение. Для длинных гибких заготовок используют петлевые мельницы (лупперы) — механические петли изогнутой трубы или желоба.

Разделяющая сила растёт линейно с радиусом валка R. Изгиб валков неэкономично компенсировать увеличением их размера — лучше использовать подпорные валки (малые рабочие, большие подпорные). Неизбежный изгиб устраняют валками с выпуклым камберами (фиг. 3.36а), которые под нагрузкой выпрямляются, давая равномерный зазор. Прогиб середины:

δ = (F·L³) / (48·E·I)

Коэффициенты λ₁, λ₂ зависят от ширины полосы.

Входное сечение — блум или бллит. Для профилей используют формовки с постепенно меняющейся геометрией (фиг. 3.37). Вальцы из литого/кованого стали, сплавных чугунов или спецсталей. Горячие — шершавые/ночёные для захвата, холодные — шлифованные для чистоты.

Ключевые параметры: температурный режим, скоростной график, распределение усадок по проходам. Они влияют на точность и механические свойства.

2. Ковка

Основные виды:

• Ручная (кузнечная): горячая заготовка, ручные молоты/молоты с приводом, наковальня и молот плоские. Форма задаётся манипуляцией заготовки между ударами.
• Молоточная (прессовая): удары заполняют полость замкнутой матрицы. Излишки металла образуют заусенец, который стригут. Сложные детали — несколько матриц.
• Прессовая: плавное усилие вместо ударов. Тоже может требовать набор матриц. Меньше проблем со стыковкой половинок. Нужно обеспечить выход воздуха и смазки.
• Уплотнение (апсеттинг): локальная ковка конца стержня (напр., головка болта). Открытая и закрытая схемы. Чтобы избежать потери устойчивости неподдерживаемой длины l:
  • Открытая: l ≤ 3d (d — диаметр стержня).
  • Закрытая при l > 3d: диаметр матрицы D ≤ 1,5d.
  • Если неподдерживаемая часть выходит за полость на l₁: l₁ ≤ d.
• Штрессовка (свейджинг): удары радиально движущимися матрицами. Для уменьшения диаметра и конусности стержней/труб.
• Вальцевая ковка: две полукруглые канавкатые валки на параллельных валах. Нагрет стержень кладётся между открытыми валками, после полуоборота вынимают, кладут в меньшую канавку — до нужного размера.

Матрица — критичный элемент. Требования: скругления в углах (текучесть, износ), уклоны на вертикальных стенках (снятие), заусенечная желобка для излишков. При горячей ковке — усадка на сжатие. Материал матриц — высокоуглеродистые/сплавные стали, твердость HRC 45–60.

3. Волочение

Уменьшение диаметра прутьев и проволоки. Скорость 10–1800 м/мин. Начало кончика распрессовывают для входа в матрицу. Запуск на малой скорости (нет удара). Крупные усадки — несколько проходов. Охлаждение матрицы водой (тепло от холодной деформации). Материалы матриц: высокоуглеродистая/быстрорежущая сталь, твёрдый сплав (средние), алмаз (тонкая проволока). Волочение труб — «закаливание» (sinking).

4. Глубокое вытягивание

Задача — втянуть лист в матрицу максимально, минимизируя утончение стенок. Уменьшение внешнего периметра создаёт сжимающее обхватное напряжение, при превышении предела — морщинивание фланца. Предотвращают упором (blank holder). Если коэффициент вытягивания r_j/r_d ≤ 1,2 — можно без упора. Большие значения — при толстых заготовках и профиле матрицы (фиг. 3.43).

При большом отношении диаметров — несколько стадий: первичное вытягивание и перевытягивание (redrawing). Обратное перевытягивание (фиг. 3.44b) — чашу переворачивают. Казалось бы, деформация строже, но наоборот: при обычном — изгиб в разные стороны по углам упора и матрицы, при обратном — только в одну (внешний и внутренний углы матрицы). Скруглённый край матрицы (фиг. 3.44c) ещё смягчает деформацию. Между стадиями — отжиг (восстановление вязкости). Обработанные детали часто подстригают (ручной или матрицей). Снятие с провала — паз на дне матрицы: при возврате провал спирает назад, паз удерживает чашу.

5. Гибка

Анализ применим к получению углов на листе. Сложные формы — несколько стадий, последовательно на контурных валках. Боковые опорные валики придают форму. Трубы и полые профили гнут на форме с накатным валком. Если валок постоянной кривизны — шарнир в центре кривизны (фиг. 3.48). Предотвращение сплющивания — наполнение песком.

6. Экструзия (прессование)

Один из самых перспективных процессов. Горячая и холодная. Горячая снижает нагрузку (для высокопрочных материалов), но проблемы: охлаждение, быстрый износ матрицы.

Прямое прессование: весь биллет движется — большие трения, высокая нагрузка, радиальные напряжения в контейнере.

Обратное прессование: биллет неподвижен, трение только на границе матрица-контейнер. Нагрузка ниже, не зависит от длины биллета.

Трубные сечения: стержень (мандрин) на штампе (фиг. 3.51). Открытые и закрытые концы в зависимости от заготовки. Мандрин закреплён на штампе или отдельном теле.

Ударное экструдирование: тонкостенные банки, мягкие/вязкие материалы, обычно холодное.

Гидростатическое прессование: нагрузка через жидкость (фиг. 3.53a). Исключено трение биллет-контейнер.

Вариация для хрупких материалов: в приёмной камере пониженное давление (~половина давления на биллет). Меньшие градиенты деформации (фиг. 3.53b). Можно прессовать крупные изделия, но процесс медленный.

Замкнутое прессование с разборной матрицей: сложные формы с неравномерным сечением (аналогия закрытой ковке, фиг. 3.53c).

Смазка и кладка: оксидный слой на биллете может попасть в ядро (снижение прочности). Смазка обеспечивает ламинарное течение — внешний слой биллета становится кожей изделия. Принцип используется в горячем прессовании высокопрочных материалов и кладированных изделий.

Температура сталей 1200–1500 °C, матрица ~200 °C. Смазка — стекловолокно/порошок: вязкость чувствительна к температуре. У матрицы высокая вязкость — защита от износа, стеклянная кожа ~0,025 мм на изделии. У биллета-контейнера низкая — меньше нагрузка.

Применение — ядерные топливные стержни (уран,торий): консервирование в медь/латунь (защита от окисления). Заготовка с обкладкой из кладирующего материала.

7. Пробивка и вырубка

Основные операции листовой штамповки (срезание). Похожие: вырубка (notching), ланцевание (lancing — надрезы без отходов, часто с гибкой для зацепов), продольный раскрой (slitting — раскрой рулонов), нибблинг (nibbling — сложные контуры перекрывающимися вырубками, простой инструмент), обрезка (trimming — заусенцы/фланцы).

Конструкция матрицы/пробивки критична для времени/стоимости. Точное позиционирование — направляющие стойки. Стриппер снимает лист с пробивки на обратном ходе, пружинные выталкиватели — вырубку с лица пробивки. Стриппер также работает как упор.

Составные матрицы (compound die): несколько операций за ход (фиг. 3.56). Пробивка и матрица вырубки в инвертированном положении. Сверление внутреннего отверстия перед вырубкой. Комбинации вытягивания/гибки с вырубкой.

Прогрессивные матрицы (progressive die): ряд матриц на разных станциях, заготовка продвигается по шагам — непрерывная работа.

Минимизация отходов (nesting): оптимальная расстановка заготовок на полосе (фиг. 3.58). Ограничения (фиг. 3.58b). Зазор к краю полосы: g = t + 0,015h (t — толщина, h — ширина заготовки). Зазор между заготовками b зависит от t (табл. 3.1). Направление волокон (при прокатных полосах) ограничивает свободу расстановки. Круглые заготовки — экономия только многорядной укладкой.

8. Высокоскоростные процессы формовки (HERF)

Источники энергии: химические, магнитные, электрические разряды. Скорость потока энергии — высших порядков. Кинетическая энергия ∝ v² — малое тело на высокой скорости даёт большую энергию.

Пример: пресс 500 кН на 0,15 м = 75 кДж. Молот 42 кН на 6 м/с = 75 кДж. Водный фронт 26 Н на 240 м/с (взрыв) = 75 кДж. Принцип компактных мощных машин.

Мощность: пресс 0,5 с → 150 кВт; молот 0,06 с → 1,25 МВт; взрыв 0,0007 с → 107 МВт. Взрыв и электроразряд — самые компактные и мощные.

i. Взрывное формование

Ударная волна в жидкости (вода) от подрыва заряда (фиг. 3.60). Малые детали — вся волна в замкнутом объёме, крупные — часть фронта (менее эффективно, но меньше риск разрушения матрицы). Взрывчатки: ТНТ, динамит (высокая энергия), порох (низкая). Давление до 35 кН/мм² (высокие), до 350 Н/мм² (низкие). Пиковое давление в воде:

p = k·(W^1/3 / R) (W — масса заряда, R — стойб-дистанция). Расстояние заряд-свободная поверхность воды ≥ 2× стойб-дистанции. Разнообразные формы через оснастку. Влияние на свойства материала — как при обычной формовке.

ii. Электрогидравлическое формование

Разряд конденсаторов через искровой зазор в жидкости вместо взрывчатки. Характеристики похожи на взрывное. Энергия ниже. Пиковое давление зависит от разряженной энергии и стойб-дистанции.

iii. Электромагнитное формование

Энергия конденсаторов разряжается через катушку. Переменное магнитное поле индуцирует ток в проводящей заготовке — её поле отталкивается катушкой в матрицу. Заготовка должна быть электропроводной, магнитность не нужна. Главная проблема — малый ресурс катушки.

9. Монеточкование (койнинг)

Закрытая ковка тонких плоских заготовок с изменением толщины (боковые ограничения). Широко применяется для монет и изделий с чётким рельефом матрицы.

10. Резьбокачение

Массовое изготовление резьбы (болты, винты): две планки с резьбой (перемещающиеся) или катящиеся валки с резьбой в противоположных направлениях. Пластическая деформация даёт резьбу. По сути — прокатка.

11. Прокол труб (трубопрокатка)

Бесшовные трубы: твёрдый бллит заставляют течь над мандрином двумя наклонными валками, вращающимися в противоположных стороны. Скорость и наклон задают подачу. Процесс горячий. Одновременное сжатие и вращение деформирует в эллипс, трещина по большой оси расширяется в отверстие, мандрин калибрует.

12. Токарная формовка (спининг)

Поверхность вращения из листа. Заготовка прижимается к формовочному провалу (вращается) специнструментом/валиком. Если происходит утончение — сдвиговое спининг (shear spinning).

13. Растяжно-гибковое формование (stretch forming)

При обычной гибке листа возникают сжатия — риск выкручивания/морщин. Решение: держать полосу на растяжении во время гибки. Одновременное растяжение и гибка = stretch forming.