Прессование металла

Процесс прессования сравнительно молод, по сравнению с другими технологиями металлообработки. Еще с XV века кузнецы практиковали проковку металла через форму с отверстиями, используя в качестве инструмента паровой молот, но в связи с его недостатками (частое разрушение заготовок, самого молота, а то и постройки-кузницы), метод использовался эпизодически. С выходом в 1663 году «Трактата о равновесии жидкости» Б.Паскаля появилась идея использовать гидравлические методы, основанные на постепенном наращивании давления, а не ударном его повышении.

В конце XVIII века остро встала необходимость в создании гидравлических прессов высокого давления, в первую очередь для нужд сельского хозяйства, для отжима семян масличных культур. Инженеры столкнулись с проблемой герметичного стыкования поршня и стенок цилиндра во избежание просачивания жидкости. С изобретением Д.Брама воротниковой манжеты вопрос был решен, и 1797 году Д.Брама построил первый гидравлический пресс с усилием 1114 тонн.

Изобретатель высказал идею применения своего пресса для производства свинцовых труб, однако реализовать на практике её удалось лишь в 1820 году, тогда английский инженер Т.Бурр построил станок для продавливания свинцовой заготовки через кольцеобразное отверстие в матрице. Именно с этого момента можно начинать отсчет времени жизни метода продавливания.

Заметим, что свинец, несмотря на свою пластичность, в производстве труб не прижился – вода становилось токсичной и непригодной для питья, поэтому пришлось перейти на более твердые медные сплавы и алюминий, что потребовало увеличения мощности прессов. В наше время прессованием обрабатывают такие металлы как титан, высокоуглеродистая сталь, цирконий, обладающие высокой твёрдостью.

Как работает прессование

Метод прессования также называют «холодным выдавливанием», так как его суть заключается в продавливании материала заготовки пуансоном пресса через фигурные полости в форме-штампе. Это позволяет создавать как изделия с полостью внутри (например, трубы), так и прутки различного сечения и диаметра.

В зависимости от того, в каком направлении выдавливается металл относительно движения пуансона, различают прямое, обратно, радиальное и комбинированное прессование.

Прямое прессование характеризуется истечением металла через отверстие неподвижной формы в том же направлении, в котором движется пуансон пресса. Для облегчения прохождения металла на форму, как правило, подают смазку. Заготовку располагают между прессом и формой, после формирования изделия (пресс-утяжины) пресс-остаток удаляют, верхний край изделия обрабатывают шлифованием.

Если смазка не используется, изделие получает более прочную поверхность, за счет сил трения при продавливании верхний слой растягивается, в нем устраняются дефекты.

Это самый распространённый и простой метод, но у него есть такие минусы:

• нужен мощный пресс для преодоления сил трения, особенно без подачи смазки;
• структура изделий получается неоднородной, присутствует анизотропия металла;
• помимо большого пресс-остатка требуесть удаление не до конца сформировавшейся (в полости формы) части изделия;
• высокая изнашиваемость формы вследствие значительного трения между ней и металлом заготовки.

При обратном прессовании заготовка в контейнере неподвижна, а двигается матрица. При этом методе отсутствует трение между стенками контейнера и заготовкой, что снижает затраты мощности при экструзии.

Преимущество метода обратного прессования:

• уменьшение требуемого для прессования усилия и его постоянство, что сказывается на однородности структуры и механических свойств изделия;
• уменьшение толщины пресс-остатка;
• увеличение срока службы контейнера, т.к. трение с заготовкой практически отсутствует;
• более высокая скорость экструзии материала заготовки.

Недостатки технологии:

• сравнительно небольшой диаметр получаемых изделий;
• усложнение конструкции пресса;
• необходимость предварительной обработки торцов заготовки для получения качественного изделия;
• ограничение мощности усилия пресса, вследствие наличия центрального отверстия в штемпеле.

Виды прессования металла

Горячее прессование предполагает воздействие давлением на разогретое до пластичного состояния твердосплавное вещество. Это позволяет избежать появления пор в металле, добиться максимальной прочности и износоустойчивости, что важно при изготовлении промышленных валков, мельничных шаров, сердечников снарядов и пр.

Сырье для прессования загружается в виде порошка, который затем спекается, в токопроводящие графитовые формы. Разогрев материала происходит пропусканием через него электрического тока, и обычно достигает полутора тысяч градусов. Важно, чтобы процесс экструзии начался в самом начале жидкой фазы, если металл перегреть – возможно его протекание сквозь зазоры пресс-формы, в то же время недостаточный нагрев не позволит всем частицам порошка спектись в однородную массу.

Полунепрерывное прессование. На максимальную длину заготовки влияет как величина хода пресса, так и его мощность, поэтому работа возможна только с заготовками определенной длины. После использования каждой заготовки остается отправляемый в переработку пресс-остаток, который экономически невыгоден. Поэтому существует метод полунепрерывного прессования, когда после экструзии 75% заготовки в контейнер сверху неё помещают следующую, сваривая торцы. Так можно получить изделие неограниченной длины (проволоку, прут), который затем смотать в бухту.

Минусы способа очевидны – необходимость сварочных работ, наличие сварного шва, что негативно сказывается на общей однородности и прочности изделия. Сварной шов, при прохождении отверстия формы, может непредсказуемо растягиваться или вовсе рваться.

Непрерывное прессование. Необходимость остановки процесса для добавления заготовок сказывается на производительности, поэтому активно разрабатываются такие методы как лайнекс, экстроллинг, конформ и пр. Наиболее развита технология конформ, где роль контейнера выполняет приводное колесо с канавкой, а роль заготовки – проволока или пруток. Этим достигается непрерывная подача материала к пресс форме. Из минусов метода – неоднородность получаемой продукции, высокая степень нагрева инструмента, что требует наличия водяного или масляного охлаждения, налипание материала на инструмент, особенно при работе с алюминием. Тем не менее, в России метод широко распространен, в частности, так производят лигатурный пруток из алюминиевых гранул.