Сущность процесса прессования

Развитие прессования металлов началось в конце XVII века, когда на простейших прессах * было освоено прессование труб и прутков из очень мягкого, металла — свинца. С течением времени техника прессового производства развивалась —прогрессировала конструкция прессов и увеличивалась их мощность, совершенствовались конструкции прессового инструмента и материалы для их изготовления, вовлекались в обработку все новые металлы и сплавы — более прочные, требующие высоких температур обработки; усложнялась форма и улучшалось качество пресс-изделий. В настоящее время прессование — современный, быстро развивающийся процесс обработки металлов давлением, играющий важную роль в ускорении технического прогресса. Развитию прессования в большой степени способствовав ли работы многих русских и советских инженеров и ученых, среди которых следует назвать П. С. Истомина, С. И. Губкина, И. Л. Перлина, В. И. Жолобова, Л. А. Шофмана, Я. М. Охрименко, Л. В. Прозорова, Ю. Ф. Шевакина, М. 3. Ерманка, М. Ф. Захарова, А. И. Колпашникова, Л. Г. Степанского и многих других.
Внешне схема процесса прессования весьма несложна и заключается в том, что металл заготовки, помещенный в замкнутую полость, под воздействием рабочего давления, которое передается через инструмент от пресса, выдавливается в виде пресс-изделия — профиля, прутка, трубы панели. В технике прессования пресс-изделие любой конфигурации называют профилем. Наиболее распространенный способ прямого прессования ** и применяемый для этой цели основной технологический инструмент приведен на рис. 2. В контейнер 3 загружают заготовку 4. С выходной стороны контейнера установлена матрица 2. Пресс-штемпель 6 крепится к плунжеру пресса и передает давление на заготовку. Пресс-шайба 5 служит промежуточной прокладкой между заготовкой и пресс-штемпелем. За матрицей имеется также направляющая (на рисунке не показана), которая предотвращает нежелательный изгиб профиля после выхода из матрицы.

Рис. 2. Наиболее распространенная схема прямого прессования металлов: 1 — пресс-изделие; 2, — матрица; 3 — контейнер; 4 — заготовка; 5 — пресс-шайба; б — пресс-штемпель

Основная часть инструмента — матрица. Форма ее канала определяет наружную форму профиля. Для перехода с прессования одного профиля на другой достаточно сменить только матрицу. Поэтому время перехода с производства одного изделия на другое при прессовании значительно меньше, чем, например, при сортовой прокатке; там для переналадки производства на другой профиль потребуется перевалка валков и перестройка всей линии. Поэтому прессование профилей выгодно в том случае, когда требуются небольшие их количества, т. е. при мелкосерийном производстве.
Заготовкой для прессования обычно служит слиток, иногда предварительно деформированный. В большинстве случаев заготовка имеет цилиндрическую форму и значительно реже — плоскую.
Процесс чаще всего осуществляется следующим образом: заготовка, предварительно нагретая в печи, специальным механизмом подается в контейнер, выходная часть которого закрыта матрицей. Затем с противоположной стороны в контейнер вводят пресс-шайбу и пресс-штемпель, и заготовка таким образом оказывается в замкнутом объеме. После этого в главный цилиндр пресса подают жидкость под высоким давлением, и плунжер начинает двигаться вперед, передавая высокое давление на заготовку через пресс-штемпель и пресс-шайбу. Нагретый металл заготовки становится пластичным и выдавливается в виде профиля через канал матрицы. Прессование продолжается до тех пор, пока в контейнере не останется незначительная часть металла, называемая пресс-остатком. Длина пресс-остатка определяется из условий истечения, рассмотренных ниже. Пресс-изделие по мере выдавливания заготовки выходит из матрицы и передвигается по столу пресса. По окончании прессования оно отрезается от пресс-остатка и передается на последующую обработку, а пресс-остаток удаляется в отходы. После этого цикл прессования повторяется. Цикличность, т. е. прерывность — недостаток прессования, который отличает его от таких непрерывных процессов обработки металлов давлением, как, например, прокатка или волочение.
Прессование осуществляется чаще на гидравлических прессах и реже — на механических. Современные гидравлические прессы — сложные мощные машины, для создания которых требуется высокий уровень развития техники. Вследствие этого прессование получило развитие совсем недавно, когда промышленность научилась создавать мощные гидравлические прессы. Сегодня наибольшая мощность гидравлических прессов 200 МН, он весит свыше 3000 тонн, его стоимость около 15 млн. руб., на нем можно прессовать заготовки диаметром до 1100 мм.
Прессование металлов может осуществляться по различным схемам. Отличительная черта прямого прессования (см. рис. 2) — передвижение заготовки в процессе прессования относительно стенок контейнера. Другая распространенная схема — обратное прессование *** (рис. 3), при котором такого передвижения не происходит.
Несмотря на простоту схемы, в металле заготовки при получении различных пресс-изделий происходят довольно сложные процессы, в основном связанные с неравномерностью истечения металла. Эта неравномерность объясняется тем, что поперечное сечение пресс-изделия, как правило, отличается от такового заготовки, и различные ее части поэтому выдавливаются неодинаково. Например, слои заготовки, находящиеся перед полостью канала матрицы, испытывают меньшее сопротивление движению, чем те ее слои, которые расположены дальше от продольной оси канала; периферийные слои заготовки проходят больший по длине путь, чем центральные. Оказывает влияние на истечение и контакт заготовки со стенками контейнера. Этот контакт может вследствие воздействия трения также задерживать движение периферийных слоев и даже приводить к некоторому их захолаживанию, если температура контейнера ниже температуры заготовки. Неравномерная же по сечению заготовки температура вызывает неодинаковое распределение величины сопротивления деформации, что в свою очередь приводит к увеличению неравномерности истечения металла. В результате в прессуемой заготовке образуются объемы металла, истечение которых неодинаково, а это в значительной степени влияет на качество готовой продукции.

Рис. 3. Схема обратного прессования: 1 — пресс-изделие; 1 — полый пресс-штемпель; 3 — контейнер; 4 — матрица; 5 — заготовка
Рис. 4. Схема, иллюстрирующая характер истечения металла в матрицу при прессовании



Металл при обработке давлением передвигается по линии наименьшего сопротивления. Поэтому при прессовании он не течет по поверхности, обозначенной буквами ABC (рис. 4), а выдавливается из контейнера по какой-то другой криволинейной поверхности ADC. Между поверхностями ABC и ADC образуется заторможенный объем металла (его иногда называют «мертвой» зоной), который из контейнера почти не выдавливается, а образует как бы воронку с криволинейными стенками. В эту воронку и истекает через матрицу металл заготовки, приобретая форму пресс-изделия.
Те слои металла заторможенной зоны, которые прилегают к границе ADC действуют на текущие слои металла заготовки. На наружных текущих слоях металла часто скапливаются различные загрязнения (неметаллические частицы, инородные соединения), а в заторможенной зоне они задерживаются и не попадают через матрицу в металл пресс-изделия. Если же загрязнения перейдут в пресс-изделие, то его придется забраковать.
По мере выпрессовки заготовки происходят изменения и в центральных ее слоях: в них вследствие выдавливания металла заготовки с неодинаковыми скоростями по сечению (скорости металла в центре более высокие, чем на периферии) образуется полость или рыхлота, которая в конце прессования может перейти в пресс-изделие. Эта полость или рыхлота металла в пресс-изделии называется пресс-утяжиной; если она образуется в изделии, то оно не годится к использованию.
Мысленно выделим в заготовке элементарный кубик металла и посмотрим, какие силы при прессовании на него действуют. Оказывается, что на все грани этого кубика действуют сжимающие силы. Деформация в таких условиях осуществляется потому, что эти силы неодинаковы по величине. Согласно теории обработки металлов давлением, пластическая деформация под воздействием только сжимающих сил может достигать наибольших степеней без разрушения металла. Так, величина вытяжки при прессовании может достигать очень высоких величин— для мягких металлов более 1000. Это означает, что поперечное сечение пресс-изделия в 1000 раз меньше сечения заготовки.
Способность металла прессоваться с высокими вытяжками — отличительная черта процесса. Если бы мы изделие, прессуемое, например, с вытяжкой 30, решили получить методом сортовой прокатки, то пришлось бы вводить очень большое число переходов. Объясняется это тем, что при сортовой прокатке на частицу деформируемого металла действуют две сжимающие и одна растягивающая сила. А при такой схеме сил наибольшая величина деформации без разрушения значительно ниже, чем при прессовании. Поэтому для получения изделия с вытяжкой 30 общую деформацию приходится поделить на несколько переходов. Способность металлов прессоваться с высокими вытяжками позволяет получать прессованием, в особенности из пластичных сплавов, изделие практически любой конфигурации за один переход. В этом одно из главных преимуществ прессования перед прокаткой.
Однако высокие вытяжки, с которыми обычно прессуют металлы, требуют больших усилий прессования и затрат большого количества энергии. Поэтому прессование осуществляется на мощных высоконагруженных машинах — прессах. При этом инструмент, с помощью которого металл прессуется, должен выдерживать весьма высокие нагрузки, противостоять им. Обычно напряжение на пресс-шайбе составляет 400—800 МПа. Это означает, что в контейнере развивается очень высокое давление, равное 400—800 МПа, но иногда при прессовании профилей с высокими вытяжками из высокопрочных сплавов оно достигает 1 ГПа, а то и более. С целью уменьшения необходимых давлений прессования заготовку обычно нагревают до температуры, при которой происходит наибольшее снижение сопротивления деформации металла и повышение его пластичности. В зависимости от металла или марки сплава эти температуры различны, например, для алюминиевых сплавов — около 400 °С, медных — около 700 °С, титановых — около 900 °С.
Для производственника очень важно знать, при какой скорости следует прессовать изделие, так как она влияет на качество продукции и, кроме того, определяет производительность прессовой установки. Скорость прессования неодинакова для разных сплавов, а также связана с рядом процессов, происходящих в прессуемой заготовке.
Различают скорость прессования (σп) и скорость истечения σи. Скорость прессования — это скорость, с которой движется плунжер пресса, пресс-штемпель и заготовка относительно контейнера. Скорость истечения — это скорость, с которой профиль выходит из канала матрицы. Нетрудно представить, что скорость истечения больше скорости прессования и разница определяется вытяжкой, т. е. чем больше вытяжка, тем скорость истечения больше скорости прессования. Скорости связаны соотношением σи = μσп, где μ — коэффициент вытяжки.
Скорость истечения для различных сплавов различна — от нескольких десятых долей метра в минуту до десятков метров в минуту. В настоящее время в наибольших количествах прессуют алюминиевые сплавы, в промышленных масштабах освоено прессование магниевых, медных, титановых сплавов, различных сталей, а также тугоплавких, жаропрочных и некоторых других сплавов со специальными свойствами (например, бериллиевых, радиоактивных и др.).
Как уже говорилось выше, прессованием, особенно из пластичных сплавов, например, алюминиевых, можно получить профиль практически любой конфигурации. Промышленностью освоены десятки тысяч различных конфигураций профилей (рис. 5). Все это многообразие можно классифицировать на несколько основных видов. 1. Профили сплошного поперечного сечения и полые. Простейшим представителем полых профилей является труба. Инструментальная наладка для прессования полых профилей отличается от рис. 2 и З наличием оправки, которая формирует внутреннюю полость. Более подробно об этом будет сказано ниже. 2. Профили постоянного сечения по длине и переменного сечения, т. е. поперечное сечение которых имеет различные форму и размеры по длине. Эти изделия в технике имеют большое значение, так как позволяют экономить много металла и трудовых затрат при изготовлении различных машин. Особенности прессования профилей переменного сечения рассмотрены ниже.

Рис. 5. Примеры профилей из алюминиевых сплавов

Наибольший габаритный размер поперечного сечения профилей описывается окружностью, диаметр которой достигает 1000 мм, а площадь сечения 1500 см2 (из алюминиевых сплавов). Наименьшие по размерам профили имеют габаритный размер 2 мм и толщину стенки до 0,3 мм, причем допуски на размер в отдельных случаях могут быть доведены до ±0,5 % от номинального чертежного размера. Длина основной массы выпускаемых профилей не превышает 6—10 м; вместе с тем для специальных целей выпускают профили длиной до 40 м, а свернутыми в бухту — до нескольких тысяч метров.

* Прототип современного горизонтального гидравлического пресса появился в 1895 г.
** Более точное название — прессование с прямым истечением металла.
*** Более точное название — прессование с обратным истечением металла.


Профессия — прессовщик