Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов

Покупка
Артикул: 798489.01.99
Доступ онлайн
450 ₽
В корзину
В учебном пособии приведено краткое описание процессов прессования специальных сплавов, методик расчета их параметров. Часть методик изложена в виде макропрограмм в электронных таблицах Excel и на языке Visual Basic.
Логинов, Ю. Н. Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов : учебное пособие / Ю. Н. Логинов. - Екатеринбург : Изд-во Уральского ун-та, 2016. - 156 с. - ISBN 978-5-7996-1623-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1922196 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Ю. Н. Логинов

Прессование 
как метод интенсивной деформации 
металлов и сплавов

Учебное пособие

Рекомендовано 
методическим советом УрФУ 
для студентов всех форм обучения 
по направлению подготовки «Металлургия»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.777:669.2(075.8)
ББК 34.623.4я73
          Л69
Рецензенты:
кафедра «Мехатроника» ФГОУ ВПО «Уральский государственный уни-
верситет путей сообщения» (зав. кафедрой — канд. физ.-мат. наук, доц. 
В. С. Тарасян); канд. техн. наук, вед. науч. сотр. Института физики метал-
лов УрО РАН Б. И. Каменецкий

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. В. А. Шилов

 
Логинов, Ю. Н.
Л69     Прессование как метод интенсивной деформации металлов и спла-
вов : учеб. пособие / Ю. Н. Логинов. — Екатеринбург : Изд-во Урал.  
ун-та, 2016. — 156 с.

ISBN 978-5-7996-1623-6

В учебном пособии приведено краткое описание процессов прессования спе-
циальных сплавов, методик расчета их параметров. Часть методик изложена в виде 
макропрограмм в электронных таблицах Excel и на языке Visual Basic.

Библиогр.: 62 назв. Табл. 14. Рис. 31. Прил. 1.

УДК 621.777:669.2(075.8)
ББК 34.623.4я73

ISBN 978-5-7996-1623-6 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Оглавление

Введение ........................................................................................................5
1. Сущность процесса и области его применения .......................................7
2. Особенности течения металла при прессовании .....................................9
3. Структура и текстура пресс-изделий ......................................................15
4. Расчет размеров слитка или заготовки ...................................................19
5. Расчет энергосиловых параметров прессования ...................................25
6. Прессовая прошивка ...............................................................................30
7. Расчеты прессового инструмента ...........................................................36

7.1. Определение числа матричных каналов..........................................37
7.2. Определение размеров канала матрицы ..........................................40
7.3. Проектирование элементов матрицы..............................................42
7.4. Определение продольного профиля канала матрицы ....................46
7.5. Расчет на прочность .........................................................................47
8. Особенности прессования меди и медных сплавов ...............................48
8.1. Параметры прессования меди .........................................................48
8.2. Влияние фазового состава на параметры прессования 
        многофазных латуней ......................................................................49
8.3. Параметры прессования бронз ........................................................56
9. Особенности прессования алюминия и алюминиевых сплавов ...........57
9.1. Особенности свойств сплавов .........................................................57
9.2. Температурно-скоростной режим ...................................................58
9.3. Подготовка прессового инструмента для прессования 
        крупногабаритных труб ...................................................................60
10. Особенности прессования никеля и его сплавов .................................64
11. Особенности прессования титана и его сплавов ..................................65
11.1. Влияние свойств титановых сплавов на параметры 
          прессования ..................................................................................65
11.2. Влияние компонентов тензора деформации 
          на формирование анизотропных свойств альфа-титановых 
          сплавов ..........................................................................................67
11.3. Оценка компонентов тензора скоростей деформации 
          методом конечных элементов ......................................................72
11.4. Оценка компонентов тензора деформации методом 
          конечных элементов ....................................................................76
11.5. Соотношения компонентов деформаций и прогноз текстуры ..76
12. Особенности прессования магния и его сплавов .................................79
13. Особенности прессования тугоплавких металлов ...............................82
14. Особенности гидроэкструзии металлов ...............................................84
14.1. Общее представление о процессе гидроэкструзии .....................84
14.2. Особенные физические эффекты в процессе гидроэкструзии ..89

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

15. Энергоемкость прессования .................................................................92
15.1. Баланс энергозатрат .....................................................................92
15.2. Температура нагрева заготовки ...................................................93
15.3. Влияние скорости прессования ...................................................97
15.4. Влияние подпора и натяжения ....................................................98
15.5. Контактные условия на контейнере и матрице ........................100
15.6. Упругая и пластическая сжимаемость прессуемого материала ..101
15.7. Совмещение процессов литья и прессования ...........................103
15.8. Пример расчета энергоемкости .................................................105
16. Изменение температуры инструмента в циклах его нагружения 
       при горячем прессовании ...................................................................106
16.1. Тепловая нагрузка матрицы .......................................................107
16.2. Тепловая нагрузка пресс-шайбы ...............................................109
17. Специальные методы прессования ....................................................112
17.1. Сфера применения процесса РКУ-прессования ......................112
17.2. Физическое представление процесса РКУ-прессования .........112
17.3. Математическое описание процесса РКУ-прессования ..........117
17.4. Конформ-процесс ......................................................................123
17.5. Прессование с активным действием сил трения ......................124
18. Применение метода конечных элементов 
       для анализа напряженно-деформированного состояния 
       прессования ........................................................................................126
18.1. Постановка задачи .....................................................................126
18.2. Изотермическая задача прессования.........................................129
18.3. Прессование при подогреве инструмента до одинаковой
          температуры ...............................................................................130
18.4. Прессование при разной температуре нагрева инструмента ....132
18.5. Расчет охлаждения металла на предшествующих 
          этапах прессования ....................................................................133
18.6. Расчет температурного поля на заключительном 
          этапе прессования с учетом захолаживания 
          на предыдущих этапах ................................................................135
18.7. Моделирование напряженного состояния иглы 
          при прессовании трубных заготовок .........................................137
19. Вопросы для самоконтроля ................................................................146

Список литературы ...................................................................................147

Приложение ..............................................................................................152

Введение

С

удя по имеющимся историческим данным, процесс прес-
сования изобрел Joseph Bramah, который получил патент 
в 1797 г. на процесс получения свинцовых труб [1]. Посколь-
ку изобретатель использовал пресс с ручным приводом, то даже для 
деформации такого мягкого металла, как свинец, потребовалось при-
менить предварительный нагрев заготовки. Впоследствии процесс 
не получил широкого развития, пока в 1820 году Thomas Burr не изо-
брел первый гидравлический пресс для выдавливания металлов [2]. 
Процесс был назван термином «squirting». Впоследствии в 1894 году 
Alexander Dick применил процесс прессования для деформации меди 
и латуни [3]. Таким образом, процессу прессования немногим свыше 
200 лет, что является небольшим сроком для развития, если учесть, что 
ковку и волочение металлов люди научились применять еще до на-
шей эры.
Наибольшее распространение процесс прессования получил в сфе-
ре производств изделий из цветных металлов и сплавов, что объясняет-
ся в основном необходимостью быстрой перенастройки оборудования 
для производства изделий малыми партиями при широкой номенкла-
туре производства. Особый импульс для развития прессование полу-
чило при вовлечении в промышленный оборот сплавов на основе лег-
ких металлов, что обуславливалось становлением авиации и ракетной 
техники. Многочисленные профили сложной конфигурации практи-
чески невозможно было получить другими методами обработки ме-
таллов давлением.
Большое внимание в последнее время уделяется процессам обра-
ботки давлением, в которых возможно сообщить высокий уровень де-
формации, их стали называть процессами интенсивной деформации. 
Такие методы обработки позволяют существенно изменить структуру 
металла и получить высокий уровень потребительских свойств. Прес-

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

сование с этой точки зрения — уникальный процесс, поскольку боль-
шую деформацию здесь не надо накапливать, как это делается при 
ковке, прокатке, волочении, — она сообщается деформируемому ма-
териалу за один цикл обработки.
Сегодня такой молодой с исторической точки зрения процесс, 
как прессование, постоянно совершенствуется. Для осознанных усо-
вершенствований нужно иметь представления о накопленном опыте 
в сфере производства и о методиках расчета процессов, чему посвя-
щено настоящее учебное пособие.

1. Сущность процесса и области его применения

О

сновополагающим учебником в России в области прессова-
ния является книга И. Л. Перлина, Л. Х. Райтбарга [4], по-
этому терминология, классификация процессов и некото-
рые методики расчетов будут описаны с опорой на это издание.
Прессованием называют процесс выдавливания помещенной 
в контейнер 1 (рис. 1.1) заготовки 2 через отверстие в матрице 3 уси-
лием пуансона 4, снабженного пресс-шайбой 5. В случае прессования 
полых заготовок, в том числе труб, оснастка дополняется иглой 6, за-
крепленной либо на пуансоне, либо в иглодержателе, имеющем неза-
висимый привод.

2

1
3

4

а

5

6

2

1
3

4

б

5

Рис. 1.1. Схема процесса прессования:

а — прутка; б — трубы: 1 — контейнер, 2 — заготовка (слиток); 3 — матрица;  
4 — пуансон; 5 — пресс-шайба; 6 — игла

Можно отметить следующие достоинства процесса:
— возможность производства изделий сложного поперечного се-
чения;
— возможность достижения чрезвычайно высоких вытяжек 
за один цикл деформации;

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

— возможность быстрого перехода к изготовлению изделий дру-
гого профиля (гибкость технологии);
— возможность производства изделий из малопластичных мате-
риалов благодаря мягкой схеме напряженного состояния (вы-
сокий уровень сжимающих напряжений);
— достаточно высокие точность и качество поверхности изделий;
— относительно невысокие капитальные затраты.
В качестве недостатков процесса можно отметить:
— высокий уровень напряжений, действующих на инструмент 
(их величина составляет 500…1000 % от значения ss прессуемого 
металла), что неблагоприятно сказывается на стойкости 
оснастки;
— необходимость применения жаропрочных и соответственно 
дорогих материалов для изготовления инструмента, что повышает 
себестоимость продукции;
— невысокая производительность метода.
Применительно к обработке специальных сплавов прессование 
часто выступает в роли первичной обработки металла, имеющей целью 
разрушить грубую литую структуру литых заготовок либо снизить 
поврежденность порами порошковых заготовок и в целом повысить 
пластичность металла перед последующими процессами ОМД с более 
жесткими схемами напряженного состояния: прокаткой, волочением 
и др. Иллюстрацией служат данные табл. 1.1.

Таблица 1.1
Режимы первичной обработки заготовок тугоплавких металлов [5]

Материал
Схема обработки
Температурный 
интервал, °C
Степень 
деформации, %
Молибден и его сплавы
ВМ1, ВМ2, ЦМ5
Прессование
1300…1800
70…85

Вольфрам и его сплавы 
с рением и молибденом
Ковка
Прессование 
1400…2000
1400…1860

5…15
до 90
Ниобий и его сплавы
Прессование
1300…1500
70…80

Хром и его сплавы
Ковка
Прессование
700…1600
1050…1100
15…20
75…80

Тантал и его сплавы
Ковка
Прессование
20
1100…1500
15…25
до 95
Ванадий и его сплавы
Прессование
1000…1450
85…90

2. Особенности течения металла при прессовании

Следует отметить, что от технологий и агрегатов в черной метал-
лургии требуется обеспечение как можно более высокой производи-
тельности, что часто идет в ущерб гибкости процессов. В цветной ме-
таллургии при относительно небольших объемах партий заготовок 
на первый план выходит возможность быстрой переналадки техноло-
гического процесса на выпуск другого типа продукции. Именно это-
му требованию удовлетворяет процесс прессования, поэтому он по-
лучил в отрасли достаточно широкое распространение.

2. Особенности течения металла при прессовании

Р

азличают прямое прессование и обратное [6]. При прямом 
прессовании пуансон перемещает слиток внутри контей-
нера и требуется дополнительная энергия на преодоление 
трения. При обратном прессовании слиток неподвижен относительно 
стенок контейнера, а выдавливание происходит надвиганием на заго-
товку матрицы, здесь отсутствуют затраты на преодоление напряже-
ний трения на стенке контейнера, что позволяет снизить общие энер-
гозатраты на 30–40 %. Достоинством прямого метода является высокая 
прочность матричного узла и пуансона (он выполнен сплошным). При 
обратном методе габариты матрицы должны вписываться в габариты 
полости контейнера, что уменьшает ее прочность, пуансон должен 
быть выполнен полым, что также снижает его прочность.
Структура очага деформации при прессовании представлена 
на рис. 2.1. К торцу пресс-шайбы примыкает жесткая зона 1 (Жз1), 
металл в которой перемещается вместе с пресс-шайбой. При обрат-
ном методе прессования эта зона остается неподвижной. К торцу ма-
трицы примыкает жесткая зона 2 (Жз2), металл которой подвергается 
деформации только при выпрессовывании пресс-остатка. На уровне 
калибрующего пояска длиной ln образуется жесткая зона 3 (Жз3). Гра-
ницами жестких зон и поверхностью контейнера образована пласти-
ческая зона (Пз). Для прессования через плоскую матрицу характер-
но существование угла естественного истечения металла α, значение 

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

которого зависит от параметров трения, свойств прессуемого металла 
и др. В приближенных расчетах рекомендовано принимать при прямом 
прессовании значение α равным 60…65° (1,05…1,13 рад). Вдоль 
конической поверхности, образованной зоной Жз2, действуют касательные 
напряжения среза.

L 
L cp

Жз1 

а 

l п

Пз 

Жз2 
α 

d 

D k

Жз3 

L
Lcp

Жз1

б

Пз

d

Жз3
α

ln

Dk

Рис. 2.1. Расчетные схемы прямого прессования:

а — через плоскую матрицу, б — через коническую матрицу

Если применяют коническую матрицу (рис. 2.2, б), то в качестве 
угла естественного истечения металла может выступать полуугол раствора 
матрицы. В этом случае жесткая зона Жз2 может отсутствовать, 
а по поверхности матрицы будут действовать напряжения трения, 
а не среза. Энергозатраты в таком процессе оказываются меньше, 
особенно при применении эффективных смазок и теплоизолирующих 
слоев.

а

1

2

3

б

ПУ

ОМ

Рис. 2.2. Нестационарные периоды прессования:

а — распрессовка: 1 и 3 — области защемления воздуха; 2 — зона бочкообразования и растягивающих 
напряжений; б — выпрессовывание пресс-остатка и образование пресс-утяжины: 
ПУ — пресс-утяжина; ОМ — отход металла и создание воронкообразного дефекта

2. Особенности течения металла при прессовании

Различают различные фазы прессования. После загрузки в контейнер 
слитка, диаметр которого несколько меньше диаметра контейнера, 
деформация начинается с процесса осадки с характерным для этого 
процесса бочкообразованием (рис. 2.2, а). На внешней поверхности 
слитка образуется зона 2, где действуют растягивающие напряжения 
и возможно разрушение металла. Поскольку часто прессованию подвергают 
именно малопластичные материалы, то первая фаза прессования, 
называемая распрессовкой, может приводить к получению дефектов. 
Поэтому разницу диаметров слитка и контейнера стараются свести 
к минимуму, а в некоторых случаях запрессовывают слиток в контейнер 
без зазора. Другим возможным последствием распрессовки является 
образование закрытых со всех сторон областей с запертым в них 
объемами воздуха 1 и 3 (рис. 2.2, а). В дальнейшем возможно попадание 
этих воздушных мешков под поверхность пресс-изделия. После 
выхода из отверстия матрицы напряжения сжатия в металле исчезают, 
а упруго сжатый воздух деформирует приповерхностный слой металла 
с образованием пузырей или отслоений. При последующем волочении 
такие дефекты преобразуются в плены.

0,1 0,2 0,3 0,4

  
 

 
 
а 
 
 
 
 
 
 
 
б 

2
1 
4 
3 

А

Рис. 2.3. Расположение полой заготовки 1 между иглой 2, стенкой контейнера 3 
и матрицей 4 до распрессовки (а) и после распрессовки (б) с линиями равного 
уровня степени деформации сдвига L (числа в таблице); слева — сетка конечных 
элементов, справа — координатная сетка; А — зона малых деформаций

Логинов Ю. Н. ПрессоваНие как метод иНтеНсивНой деформации метаЛЛов и сПЛавов

На рис. 2.4 показан выполненный методом конечных элементов 
расчет пластического течения металла в начальной стадии прессования 
полой заготовки. Видно, что из-за явления бочкообразования вблизи 
поверхности иглы образуется замкнутое пространство. Кроме того, 
решение показывает, что часть металла еще до деформации в матрице 
получает определенную степень деформации, вследствие чего начинают 
происходить процессы рекристаллизации.
Стационарная фаза прессования сопровождается истечением металла 
через отверстие матрицы, при этом объем пластической зоны Пз 
непрерывно восстанавливается за счет металла, поступающего из жесткой 
зоны Жз1 (рис. 2.2).
Заключительная стадия прессования наступает, когда весь металл 
жесткой зоны Жз1 будет исчерпан и начнет уменьшаться объем 
пластической зоны Пз. При подходе пресс-шайбы к поверхности 
матрицы энергетически более выгодным оказывается течение 
металла с образованием воронки вблизи торца пресс-шайбы. В эту 
воронку вовлекаются загрязнения с торцевой поверхности слитка, 
и образуется внутренний дефект в пресс-изделии, называемый пресс-
утяжиной (рис. 2.2, б).
Описанный выше характер течения металла накладывает отпечаток 
и на изменение силовых характеристик процесса во времени, 
что иллюстрируется рис. 2.4, а. На стадии распрессовки происходит 
непрерывный рост усилия, связанный с заполнением объема контейнера 
металлом, увеличением контактных поверхностей трения и затруднением 
перетекания металла в сторону свободных поверхностей. 
Под конец распрессовки остается только одна свободная поверхность 
со стороны отверстия матрицы, куда и устремляется металл. Усилие 
прессования в этот момент максимально, в стационарной стадии прямого 
прессования усилие убывает из-за снижения поверхности трения 
в контейнере. При обратном прессовании (рис. 2.4, б) усилие на вто-
рой стадии остается постоянным, так как затраты энергии на прео-
доление трения на поверхности контейнера в любой момент времени 
равны нулю. На третьей заключительной стадии прессования усилие 
прессования непрерывно растет, так как толщина очага деформации 
становится очень небольшой и активную роль начинают играть на-
пряжения трения на торцевой поверхности матрицы. На этот процесс 
при горячем прессовании накладывается захолаживание оставшегося 
металла, что повышает его сопротивление деформации.

Доступ онлайн
450 ₽
В корзину