Обро́блення мета́лу ти́ском — сукупність технологічних процесів, внаслідок яких відбувається пластичне деформування або поділ металу на частини без утворення стружки[1].Тиском обробляють близько 90% сталей та 55% кольорових металів і сплавів.
Деформація - зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених до нього навантажень. Розрізняють деформацію пружну (оборотну) і пластичну (необоротну)
Пружною деформацією називають таку, яка зникає після зняття навантажень, тобто тіло відновлює свою початкову форму. Пластична деформація залишається після зняття зовнішньої навантаженні, (тіло не відновлює початкову форму і розміри).
Пластична деформація супроводжується зсувом однієї частини кристала щодо іншої на відстань, що значно перевищують відстані між атомами в кристалічній решітці металів і сплавів.
Здатність металів і сплавів до пластичної деформації має важливе практичне значення, тому що всі процеси обробки металів тиском засновані на пластичному деформуванні заготовок.
Величина пластичної деформації не безмежна, за певних її значеннях може починатися руйнування металу.
В основі обробки металів тиском лежить процес пластичної деформації, при якому змінюється форма без зміни маси. Усі розрахунки розмірів і форми тіла засновані на законі сталості об’єму, суть якого полягає в тому що об’єм тіла до і після пластичної деформації приймається незмінним.
Зміна форми тіла може відбуватися в напрямку трьох головних осей; при ньому кожна точка прагне переміщатися в тому напрямку, в якому створюється найменший опір її зміщенню. Це положення в теорії обробки металів тиском називаєтьсязаконом найменшого опору.
При вільній формозміні тіла в різних напрямках найбільша деформація відбувається в тому напрямку, у якому більшість точок, що переміщаються, зустрічає найменший опір своєму переміщенню. Закони сталості об’єму і найменшого опору поширюються на всі способи обробки металів тиском.
При цьому закон сталості об’єму використовують для визначення розмірів заготівель, а закон найменшого опору дозволяє визначити, які розміри і форму поперечного перерізу одержить заготівля з тим чи іншим перетином у процесі обробки тиском.
Слід враховувати, що в реальних умовах деформування через вплив певних факторів (зокрема, контактного тертя між інструментом і заготовкою) може бути деяке відхилення від наведених вище закономірностей пластичного деформування.
Як відомо, метали мають кристалічну структуру. Характерною особливістю кристалічних речовин є анізотропія - відмінність властивостей у різних напрямках. При пружній деформації атоми не розривають зв'язків один з одним, а лише відхиляються від стану рівноваги. При пластичній деформації атоми кристалічної решітки необоротно міняють своїх сусідів
Ковзання - зсув одних атомних площин відносно інших вздовж певного кристалографічного напрямку. Двійникування - перехід однієї частини кристала в положення, симетричне іншій частині кристала. Якщо при ковзанні найменше зсув рівний періоду кристалічної решітки, то при двійникування - частці періоду. При ковзанні перехід решітки в нове положення відбувається поступово, при двійникування - майже миттєво, тобто ковзання відбувається при статичному навантаженні, а двійникування при ударі. Після цього деформована частина решітки стає дзеркальним відображенням недеформірованной частини. Зазвичай двійникування супроводжує основним механізмом - ковзанню.
В залежності від здатності зазнавати пластичної деформації матеріали поділяються на пластичні й крихкі. Величина пластичної деформації часто залежить від часу, протягом якого тіло перебуває під навантаженням. Властивість пластичної деформації збільшуватися з часом називається повзучістю.
Прокаткою називається процес деформації металу шляхом обтиснення його між двома валками, що обертаються. При прокатці зменшується товщина заготівлі - болванки або смуги та збільшується її довжина і ширина (частково), а у ряді випадків змінюється і первинна форма заготівлі. Прокатка є одним з найпоширеніших видів обробки металів тиском і має величезне значення в народному господарстві. Профілі різних видів і розмірів - від якнайтоншої стрічки (фольга) до листів і профілів крупних розмірів - прокатують на численних механізованих і автоматизованих станах.
Існує три основні види прокатки: подовжня, поперечна і коса.
При подовжній прокатці метал деформується (обжимається) між двома валками, що обертаються в різні боки і переміщається перпендикулярно осям валків; при цьому зменшується площа поперечного перетину заготівлі і збільшується(головним чином) її довжина. Цей спосіб має найбільше розповсюдження і використовується при виготовленні профільного і листового прокату.
При поперечному прокатуванні валки, обертаючись в одному напрямі, спричиняють обертання заготівлі, яка деформується уздовж осі валків. Даним способом виробляють спеціальні періодичні профілі, вироби представляють тіла обертання - кулі, осі, шестерні.
При косому прокатуванні завдяки розташуванню валків під кутом заготівля окрім обертального руху має ще і поступальний. За допомогою цього прокатування одержують порожнисті заготівлі, для безшовних труб і періодичний прокат.
При прокатці метал піддається деформації тільки на деякій ділянці, яка у міру обертання валків і руху заготівлі вперед переміщається по металу, що прокатується. Ця ділянка називається осередком деформації; характеризується він повздовжнім і поперечним перетином. Форма поперечного перетину осередку деформації залежить від форми поперечного перетину прокатаного профілю і може бути самою різною: квадратною, прямокутною, круглою, овальною та ін.
Штампування — процес обробки матеріалів тиском — пластичне деформування заготовки в штампах з витіканням металу, обмеженого розмірами штампувального простору. Під час штампування відбувається формоутворення без зняття стружки, забезпечується висока точність виробів при високій продуктивності праці.
Кування - вид гарячої обробки металів тиском, при якому метал деформується за допомогою універсального інструменту. Нагріту заготовку укладають на плоский бойок і верхнім бойком послідовно деформують окремі її ділянки. Метал вільно тече в сторони, не обмежені робочими поверхнями інструменту, в якості якого застосовують плоскі або фігурні (вирізні бойки, а також різний підкладковий інструмент). В одиничному і дрібно серійному виробництвах кування економічно більш доцільна, ніж штампування, тому що при куванні використовується універсальний інструмент, тому можливе отримання поковок складної конфігурації. До переваг кування в порівнянні з іншими способами обробки металів варто віднести її універсальність у відношенні маси, форми та розмірів заготівель; відсутність витрат на дороге технологічне оснащення; можливість використання порівняно малопотужних машинознарядь завдяки концентрованому додатку зусиль кумання бойками в невеликому об’ємі металу, що деформується.
Для масового виробництва варто застосовувати штампування, продуктивність якого в десятки разів більше, ніж кування, а необхідна кваліфікація робітників значно нижча. Окрім цього, при штампуванні досягається значно більша, в порівнянні з вільним куванням, точність розмірів та чистота поверхні. Однак штампування вигідне лише в серійному виробництві, тому що витрати на виготовлення штампів виправдані при виробництві значної кількості поковок.
При гарячому об´ємному штампуванні формоутворення поковок здійснюється в спеціальних інструментах – штампах, робочі порожнини (струмки) яких допускають плин деформуємого металу тільки у визначеному напрямку та до визначених меж, в результаті чого забезпечується примусове одержання заданої форми та розмірів поковки. Загальний технологічний процес гарячого штампування складається з відрізки заготівель, їх нагрівання, власне штампування (в кілька переходів або навіть операцій), відрізки облою та зачищення заусеньців, термічної обробки, виправлення та калібрування та, обробки поверхні. Об’єм та розміри заготівель нескладних поковок можна приблизно визначити так само, як і при куванні, але додатково варто врахувати метал, який необхідний для утворення облою у відкритому штампі.
Маса падаючих частин молота або зусилля преса, необхідне для гарячого штампування, встановлюють за довідниковими таблицями в залежності від матеріалу, розмірів, ваги та складності форм поковок, що штампуються або розраховують за формулами. Штампування може бути у відкритих та закритих штампах. При штампуванні у відкритих штампах поковка виходить з облоєм – деяким надлишком металу у вихідній заготівлі, витиснутим на заключній фазі процесу штампування в облойну канаву, яка складається з вузького зазору – «містка» та розширеної частини – «магазина». Штампування в закритих штампах є облойним.
Відкритими називають штампи, в яких уздовж всього зовнішнього контуру штампувального струмка зроблена спеціальна облойна канавка. Закритими або безоблойними називають штампи, в яких метал деформується в замкнутому просторі. На відміну від відкритих штампів, які мають поверхню рознімання у вигляді площини, закриті штампи мають рознімання по складній поверхні з напрямними, які забезпечують точне зіткнення половини штампа наприкінці штампування.
При безоблойному штампуванні необхідні точні дотримання розмірів заготівлі та установки її по центру струмка штампа, інакше можливий брак – однобічні торцеві заусениці та не заповнення форми штампа.
Холодним об'ємним штампуванням називається процес штампування у відкритих та закритих штампах без нагрівання металу - це економічним високопродуктивний процес виготовлення невеликих точних деталей із сталі та кольорових металів. Холодним об'ємним штампуванням одержують деталі по 4-3-му класам точності з високою чистотою поверхні, при цьому метал зміцнюється (наклепується) та його механічні і фізичні властивості змінюються.
Основними операціями холодного об'ємного штампування є об’ємне формування, видавлювання (пресування), калібрування, висадка та карбування
Об'ємне формування - операція, при якій деталь одержують обтисненням заготівлі у відкритому або закритому штампі. Найбільш продуктивним продуктивним методом об'ємного формування є штампування виробів зі смуги («ланцюжком») з наступною обрізкою їх на спеціальному штампі.
Холодне видавлювання - виготовлення суцільних та пустотілих тонкостінних виробів з товстої заготівлі видавлюванням металу в зазорміж пуансоном та матрицею. Ця операція виконується прямим, зворотнім та комбінованим способами. Надлишки металу, залишаються на торцях деталей, обрізають.
Холодне калібрування застосовується для одержання точних розмірів та гладкої поверхні деталей, виготовлених гарячим об'ємним штампуванням або іншими методами.
Холодна висадка застосовується для утворення місцевих стовщень заготівлі необхідної форми, наприклад при штампуванні голівок болтів, заклепок, гвинтів та інших деталей.
Карбування - операція, за допомогою якої утворюється опукло-вігнутий рельєф на поверхні деталі за рахунок незначного переміщення металу під штампом, застосовується у виробництві монет, жетонів, медалей і т.д.
Листове штампування - метод виготовлення плоских та об'ємних тонкостінних виробів з листового матеріалу, стрічки або смуги за допомогою штампів на пресах або без застосування пресів (безпресове штампування). Листове штампування може проводитися в холодному стані з нагріванням (гаряче листове штампування).
Найбільш поширене холодне листове штампування зі смуг товщиною 0,1-5 мм. Гаряче листове штампування виготовляється, як правило, зі смуг товщиною >5 мм.
Основні переваги листового штампування: можливість виготовлення міцних, жорстких, тонкостінних деталей простої та складної форми; висока продуктивність, економна витрата металу та простота процесу; відносна простота механізації та автоматизації процесу обробки.
До основних розділових операцій відносяться: різка – послідовне відділення частини металу по прямій або кривій лінії; вирубка - одноразове відділення матеріалу від заготівлі по замкнутому контуру, причому частина, що відокремлюється є виробом; пробивання - одержання отворів відділенням матеріалу по замкнутому контуру всередині деталі.
До основних формозмінних операцій відносяться виправлення - усунення нерівностей та скривлень плоских деталей, вигин (однокутовий (V- подібна) та двохкутова – U- подібна, а також багатокутова), витяжка - операція, яка перетворює плоску заготівлю в пустотілу деталь або напівфабрикат, протягання - витяжка зі зменшенням товщини , відбортовка та розбортовка - операції, відповідно, для утворення борту по зовнішньому контуру заготівлі або по контуру раніше виконаного отвору , формування - зміна форми заготівлі або напівфабрикату за допомогою місцевих деформацій, наприклад, збільшення діаметра середньої частини пустотілої деталі.
В технології листового штампування звично передбачена: підготовка матеріалу, різка заготівель, деформування металу, термічна обробка, оздоблювальні операції та нанесення захисних або декоративних покриттів. Іноді в технологію включають зварювальні або збірні операції.
На основі обраних операцій вибирають необхідне устаткування та стосовно до нього розробляють конструкції штампів. Вибираючи устаткування, в першу чергу, враховують можливість здійснення на ньому необхідних операцій, його продуктивність, можливість механізації або автоматизації процесу обробки, основні параметри його технічної характеристики тощо.
Пресування являє собою один зі способів обробки металів тиском, що полягає у видавлюванні металу із замкнутої області приймача (контейнера) через отвір матриці, що відповідає перетину профілю, що видавлює.
Гарячим пресуванням виготовляється різноманітний сортамент виробів з кольорових металів і сплавів, що включає прутки діаметром від 3 до 250 мм, труби діаметром від 20 до 400 мм із товщиною стінки від 1,5 до 12 мм і різні складні профілі. Точність пресованих виробів виходить більш високою, ніж при прокатці, що дає можливість звести до мінімуму наступну холодну обробку заготівлі.
Виготовлення пресуванням складних профілів є більше економічним, ніж виливок або штампування їх з наступною механічною обробкою.
Пресуванням можуть виготовлятися профілі такої складної форми, що не може бути отримана іншим способом обробки металів тиском. При виготовленні з кольорових металів труб діаметром менш 50 мм спосіб пресування є більше економічним, ніж прокатка, і незамінним при виготовленні труб діаметром менш 20-30 мм.
Тому що пресування протікає в умовах схеми всебічного нерівномірного стиску, де деформований метал придбав високу пластичність.
Ця обставина дає можливість пресувати мідь, всі мідно-цинкові сплави (латуні, томпаки й томпаки), мідно-нікелеві сплави (мельхіору й нейзильбери), алюмінієві бронзи різного складу, олов'янисті бpoнзи алюміній і його сплави, магнієві сплави, цинкові сплави.
Волочіння це процес обробки металів тиском, при якім виробу (заготовки) круглого або фасонного профілю (поперечного перетину) простягаються через отвір (фільєру, волоку), перетин якого менше перетину заготовки, у результаті чого поперечний переріз вихідної заготовки змінюється (зменшується). Ця зміна може відбувається однократно або багаторазово, надаючи виробу різні конфігурації.
Для протягання профілів використовують волоки (фільєри) з конічним вхідним конусом, що й калібрує циліндричним паском .
Способом волочіння можна одержати різні конфігурації виробів: прутки, дріт (виробництво металевих виробів), труби (трубне виробництво) і інше (матеріали спеціального призначення).
Принципи волочіння засновані на законах пластичної деформації й зв'язані із властивостями металів, сплавів і інших не металевих матеріалів.
Процес волочіння прийнято характеризувати наступними основними геометричними показниками: витяжка; інтегральна деформація подовження; відносне обтиснення; відносне подовження.
Волочіння надає виробам висока якість поверхні, високу точність розмірів поперечного перетину. Якщо призначення волочіння полягає в досягненні саме цих характеристик, то процес називають калібруванням.
Волочіння застосовується для обробки сталі різного хімічного складу, і практично всіх кольорових металів і їх сплавів.
Метод додаткових деталей. Такий метод відновлення деталей застосовується тоді, коли у деталей складної форми окремі елементи виявляються зношеними або пошкодженими більш допустимого рівня.
В цьому випадку зношений або пошкоджений елемент деталі видаляють або змінюють розмір, а потім встановлюють додаткову деталь (компенсатор), за допомогою якої у ремонтованої деталі відновлюють первісну форму і розміри.
Цим методом відновлюють циліндри блоків, розточені при попередньому ремонті на останній ремонтний розмір, головки блоків, гнізда клапанів, посадкові отвори під підшипники кочення, шийки валів і осей, зубчасті колеса і вінці великого модуля і багато інших.
Як компенсаторів використовують втулки, кільця, диски, зубчасті вставки та інші деталі, які, як правило, виготовляють з того ж матеріалу, що і відновлювана деталь.
Для чавунних деталей втулки можуть бути виготовлені зі сталі 20. Найменша товщина стінки компенсатора становить 25-3 мм. Клас шорсткості і твердість робочої поверхні компенсатора повинні відповідати технічним умовам на виготовлення деталей, для чого при необхідності він може бути піддано термічній обробці, а після з'єднання з відновлюваної деталлю і механічної обробці, для якої повинен бути призначений відповідний припуск.
Відновлення зношених деталей методом пластичного (залишкового) деформування відбувається в результаті перерозподілу металу під дією сил деформації.
Відновлюють деталі осадкою, вдавленням, роздачею, обтисненням, витяжкою і правкою в холодному і гарячому стані. У першому випадку потрібні великі зовнішні зусилля, а в результаті наступаючого при цьому наклепу знижується в'язкість, підвищується межа плинності, збільшується твердість металу деталі.
У холодному стані можна піддавати обробці деталі з кольорових металів і їх сплавів і сталеві деталі з вмістом вуглецю не більше 03%, що не піддавалися термообробці.
При нагріванні деталі до температури, яка дорівнює 08-09 температури плавлення, зусилля на пластичну деформацію зменшуються в 12-15 разів, при цьому істотних змін фізиків механічних властивостей металу деталі не настає.
Залежно від ступеня деформації, конструкції і матеріалу деталі правлять з нагріванням або в холодному стані на пресах, молотах, за допомогою різних пристосувань.
Холодна правка термічно оброблених деталей часто не дає бажаних результатів, так як залишкові напруги, що виникають при холодній правці, викликають часткову повторну деформацію.
Для усунення цих напруг деталі після правки піддають нагріванню до температури, трохи нижче температури кінцевої термічної обробки, якої вони піддавалися при виготовленні з подальшим поступовим охолодженням.
При значних деформаціях деталі правлять в гарячому стані при температурі 600-650 ° С під пресом, ударами молота або ручного молотка. Термічно оброблені деталі після правки з нагріваннямТ знову піддають термообробці.
Високу точність (до 002 мм на 1 м довжини вала) і стійку деформацію можна отримати місцевим поверхневим наклепом. Така правка застосовується при відновленні колінчастих валів, що мають прогин до 005% довжини вала і ін.
При відновленні нерухомих сполучень деталей з зносом не більше 025 мм (шийки під підшипники і шківи та ін.) Застосовується електромеханічна обробка, що є різновидом пластичного деформування (вдавлення), поєднаного з місцевим нагріванням поверхні деталі електричним струмом.
Пластичне деформування знаходить широке застосування не тільки при відновленні зношених поверхонь, але і для поліпшення фізико-механічних властивостей поверхневих шарів металу, а також підвищень класу шорсткості і корозійної стійкості. Ця обставина особливо важливо в зв'язку з тим, що деталі, відновлені нанесенням металу різними способами (наплавленням, осталиванием і ін.), Мають низьку межу витривалості, значно поступається новим деталям, що часто є причиною руйнування відновлених деталей, головним чином відчувають значні знакозмінні навантаження .
Так як осередки втомного руйнування знаходяться в поверхневих шарах, зміцнення останніх призводить до підвищення межі витривалості, а значить, і довговічності деталей. Зміцнення поверхневих шарів відбувається в результаті виникнення в них під дією деформуючого елемента внутрішніх стискають залишкових напружень.