Что с металлом делать дальше

Прокатка — один из наиболее распространенных видов обработки металлов давлением. Она заключается в том, что при пропускании металла через вращающиеся валки изменяются площадь поперечного сечения и конфигурация заготовки (обычно площадь уменьшается, а длина увеличивается). Интересно отметить, что возникновение прокатки связывают с именем гениального художника и инженера Леонардо да Винчи. Можно полагать, что прокатка существовала и раньше, но первые печатные материалы относятся к 1495 г., когда Леонардо да Винчи описал процесс прокатки и предложил прокатку конических орудийных стволов. Его предложение было осуществлено лишь в середине 50-х гг. XX в.

Теоретическое определение усилий при прокатке сложно, что связано со сложностью оценки сил трения, которые, в свою очередь, зависят от параметров шероховатости поверхности валков и полосы, смазочных материалов, скорости прокатки и т. д. В ближайшие годы, вероятно, нельзя ожидать принципиально новых схем прокатки и конструкций прокатных станов. Однако повысить качество листов, прутков, фасонного проката возможно. Совершенствование прокатки идет, главным образом, в направлении улучшения управления этим технологическим процессом, для чего необходимо создать математические модели. Без математических моделей практически невозможно внедрение в производство проката автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП). АСУТП — система управления, использующая электронно-вычислительную машину и технику для сбора и обработки информации, проведения вычислительных работ и решения различных задач управления.

Математическая модель обычно заложена в ЭВМ и представляет собой систему уравнений, зависимостей и решений задач, связанных с теоретическим определением технологических усилий, температуры деформируемой заготовки, трения, деформаций инструмента (например, прогибов прокатных валков), затрат энергии и многих других параметров технологического процесса. Значимость математических моделей возрастает в связи с тем, что условия протекания технологического процесса меняются (более того, в известной мере они случайны). На эти изменения чутко реагируют датчики, сигналы которых в преобразованном виде поступают в управляющую ЭВМ. ЭВМ вновь «проигрывает» математическую модель, обсчитывает необходимые расчетные параметры и сравнивает их с фактическими или заданными.

Конечно, разработка математических моделей технологических процессов (например, прокатки листов или прессования профилей) является сложной научной и инженерной задачей, требующей владения теоретическими методами исследований, умения ставить сложные эксперименты как на действующем дорогостоящем производственном оборудовании, так и на моделях. Некоторые прутки, профили и трубы различных сечений с высокой точностью размеров нельзя или трудно получить прессованием и прокаткой. В этих случаях применяют волочение. Качество поверхности и точность волоченых изделий настолько велики, что волочение может заменить точение и шлифование при изготовлении деталей, сопряженных в узлах машин.

Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через коническое отверстие матрицы (волоки, фильеры), размеры которого меньше поперечного сечения заготовки. В результате волочения поперечные размеры заготовки уменьшаются, а длина увеличивается. При изготовлении фасонных изделий волочением изменяется также форма поперечного сечения заготовки. В процессе волочения изменяются механические (и другие) свойства большинства металлов: прочность увеличивается в 1,5— 2 раза, а пластичность значительно понижается. При волочении (как и при прокатке, ковке, прессовании) изменяется также структура металла.

Существует несколько десятков способов волочения труб и профилей, проволоки. Все они совершенствуются в направлении повышения производительности, снижения усилия и давления на волоку, повышения стойкости инструмента, а также создания рациональных волочильных станов. Волочением изготовляют круглые, овальные, квадратные, прямоугольные и другие трубы, полые и сплошные профили. Диаметр круглых труб может быть от нескольких десятых миллиметра до 400—500 мм при толщине стенки от сотых долей миллиметра до 30—40 мм.

Одним из видов горячей обработки металлов давлением, осуществляемой при помощи универсального инструмента — бойков, закрепленных на молотах или прессах,— является ковка. Ковкой получают всевозможные по массе (от нескольких граммов до десятков тонн) и конфигурации заготовки для последующей механической обработки со снятием стружки. Эти заготовки называют поковками. Главное преимущество ковки состоит в возможности обрабатывать давлением тяжелые слитки стали и получать крупные поковки. Ковкой изготовляют роторные валы гидрогенераторов, барабаны для котлов высокого давления, колонны гидравлических прессов, валы механических прессов, валки прокатных станов и др. Ковка позволяет улучшить структуру и повышать качество и механические свойства металла заготовок (литых и катаных) .

При ковке слитков гидравлическими прессами возникает необходимость оптимизировать технологический процесс по числу обжатий, степени деформации и проработки структуры в различных зонах слитка, производительности и энергозатратам, применяемому кузнечному инструменту. Решить эту сложную задачу возможно лишь с помощью программного управления прессом и средств автоматизации. Для создания АСУТП ковки слитков также необходимо иметь достоверные математические модели процесса с тем, чтобы управляющая электронная машина (с помощью микропроцессоров) могла сравнивать задаваемые и фактические параметры процесса и получаемого изделия, формировать управляющие команды. Несколько таких автоматизированных ковочных комплексов работает в России.

Улучшение сортамента прогрессивных машиностроительных заготовок оказывается экономически в 2,5—3 раза выгоднее, чем простое увеличение количества металла (например, снижение массы автомобиля на 100 кг за счет лучшего качества материалов экономит 1 л топлива и соответствующее количество смазочных материалов). Таких примеров много, причина тому — расширение сортамента и увеличение доли экономичных видов проката: холоднокатаного листа, гнутых профилей, проката с термоупроч-няющей обработкой, труб и т. д. Большую роль в снижении материалоемкости играют процессы точного литья и пластического деформирования взамен резания из заготовок сортового проката. В России коэффициент использования металла в машиностроении составляет примерно 0,73 и по готовому прокату —0,7, а в США — соответственно 0,85 и 0,83. В известной мере потери связаны с существующим у нас пока преобладанием метода резания над малоотходными технологиями: прессованием, накаткой, раскаткой, выдавливанием, высадкой, штамповкой, сваркой, пайкой, склеиванием и др.

Разговор о них впереди.

Однако литье и обработка металлов давлением имеют свои недостатки, устранение которых требует проведения специальных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Конечно, достижения прокатки, прессования, волочения не должны затеснять проблемы, которые еще остаются,— ведь процессы эти весьма сложны и в реализации, и в понимании. Приведем несколько примеров. Какова роль трения при прокатке? С одной стороны, его надо преодолевать, т. е. затрачивать энергию, а с другой — без трения не будет происходить захватывание полосы (рельса, балки, швеллера) валками прокатного стана. Значит, силы трения надо определять. Силы трения зависят от коэффициента трения, давления на поверхность валка со стороны деформируемого металла (здесь применим третий закон Ньютона), площади контакта металла с валком. А коэффициент трения и давление на валки, в свою очередь, зависят от температуры, качества поверхности, скорости прокатки. Таким образом, даже такого небольшого вопроса достаточно для обоснования необходимости создания и развития теории прокатки. Заметим кстати, что достижения в области теории прокатки, выполненные советскими учеными, являются общепризнанными в мире. Полезно здесь напомнить довольно распространенное суждение: нет ничего практичнее хорошей теории. Мы говорили о неравномерности деформации при ковке, т. е. когда деформации в различных точках деформируемого тела будут разными.

Попробуем промоделировать ковку шара плоскими штампами. Для этого возьмем плод гранатового дерева и сожмем его (не в лепешку!) между двумя плоскостями (стола и книги, например). Если гранат аккуратно разрезать острым ножом, мы увидим, что в одних местах оболочки вокруг зерен лопнули, в других — целы. Когда в цехе куют крупный слиток, то иногда можно заметить на слитке ярко светящийся крест, образованный диагоналями сечения. Откуда он взялся? Опять проявилась неоднородность деформации: в некоторых местах деформация металла оказалась больше, выделилось тепло, засветился крест. Изменится ли усилие прессования (волочения), если изменить геометрию отверстия матрицы (волоки) или конический канал матрицы заменить криволинейным? Во-первых, с изменением геометрии отверстия матрицы будет меняться давление металла на матрицу; во-вторых, будет меняться поверхность трения (при малом угле она, очевидно, будет больше). При этом металл остается тем же, степень деформации та же (т. е. отношение размеров проволоки на входе в матрицу и на выходе из нее сохраняется).

Давайте рассуждать.

 Ясно, что без математической теории, без проверенных формул ответить на этот вопрос уже трудно. А как повлияет изменение угла или профиля матрицы на ее изнашивание? Оказывается можно подобрать такой профиль матрицы, когда усилие волочения (прессования) будет минимально возможным, когда изнашивание профиля будет минимальным и равномерность деформации в сечении получаемого прутка (проволоки) будет максимальной. Прокатка была упомянута нами как метод локального пластического деформирования. Но разве при волочении деформированию подвергается одновременно вся проволока? Вероятно, противоречия здесь нет: процессы можно сравнивать по степени локальности. Можно ли осадкой между двумя плоскостями расплющить в блин кусок теста? Трудно и тяжело! Раскатать его значительно проще, однако при этом очевиден проигрыш в производительности — долго.

Прокатка, волочение, прессование, ковка — издавна известные процессы, но резервы их совершенствования и познания огромны.