Холодна висадка (екструзія) відноситься до обробки металу тиском і є одним із процесів обробки металу тиском без різання.
Під час виробництва, за нормальної температури, до металу прикладається зовнішня сила, щоб сформувати його у заздалегідь визначеній формі. Цей метод зазвичай називають холодною висадкою (екструзією).
У процесі формування кріплень технологія холодної висадки (екструзії) є основною технологією обробки. Найбільш придатна для виготовлення технологія холодної висадкиболти, гвинти, гайки та заклепки.
Сьогодні Сяо Бянь представляє основну концепцію холодної висадки, історію розвитку холодної екструзії, переваги та недоліки холодної висадки, а також порівняння холодної висадки, гарячої висадки та теплої висадки.
Основна концепція холодної висадки
Холодна висадка (екструзія) є важливою частиною технології прецизійного формування об’єму пластику. Холодна екструзія означає поміщення металевої заготовки в порожнину прес-форми в холодному стані, змушуючи металевий матеріал виробляти пластичний потік під дією сильного тиску та певної швидкості, щоб отримати необхідну форму, розмір і певні механічні властивості екструзійних частин. .
Очевидно, що процес холодної екструзії покладається на прес-форму для контролю над потоком металу та на масивне перенесення об’єму металу для формування деталей.
Фактично, формування будь-якого кріплення може бути реалізовано не тільки шляхом холодної висадки, але також шляхом прямої та зворотної екструзії, складної екструзії, штампування, прокатки та інших методів деформації на додаток до деформації висадки.
Тому термін «холодна висадка» у виробництві є лише загальноприйнятим терміном. Точніше, це має називатися «холодна висадка (екструзія)».
Історія розвитку сучасної холодної екструзії
Сучасна технологія холодної екструзії почалася в кінці 18 століття. Французи почали холодну екструзію, видавлюючи свинець із маленьких отворів у кулі під час Французької революції.
У 1830 році деякі люди у Франції почали використовувати механічні преси для виготовлення свинцевих і олов’яних труб шляхом зворотного пресування.
У 1906 році для виробництва латунних ґудзиків для костюмів у Сполучених Штатах хтось отримав патентне право на порожнисту заготовку чашки прямої екструзії.
Метод Хукера, який був запатентований американцями в 1909 році, є методом екструзії прямого штампування. Напрямок потоку металу такий самий, як напрямок екструзії штампування. Він був розроблений після придбання патенту 1906 року. Заготовка чашки в патенті виготовлена методом глибокої витяжки.
Під час Першої світової війни для виготовлення латунної гільзи використовувався метод Гукера. У 1934 році перед Другою світовою війною німці використовували цей метод для пробного виробництва сталевої гільзи, але не вдалося через серйозну термічну адгезію.
Лише в середині Другої світової війни метод екструзії став успішним у виготовленні сталевої гільзи завдяки використанню нового методу поверхневої мастильної обробки - утворення фосфатної плівки на поверхні заготовки.
З тих пір технологія холодної екструзії стала практичною і стала найбільш широко використовуваним методом у технології холодного кування.
У 1960-х рр. зростання автомобільної промисловості Японії створило сприятливі умови для розвитку технології холодної екструзії. З точки зору обладнання для холодної екструзії, з тих пір, як японська корпорація Keida в 1933 році випустила перший прецизійний прес PK потужністю 2000 кН (локтєвий прес), на сьогоднішній день випущено більше 2000 пресів серії PK.
З розвитком автомобільної промисловості попит на високоточний прес стає все більш актуальним. Huida Co., Ltd. також розробила різні преси для кування.
У той же час японська компанія Komatsu розробила преси для холодного кування серій LIC і LZC з високою точністю та простотою експлуатації.
З точки зору продуктів холодної екструзії, в 1970-х роках Японія успішно виготовила холодну екструзію шестерні пускової муфти, шліца приводного вала та сердечника полюса генератора. У 1980-х роках він також успішно здійснив холодну екструдацію великого високоточного зовнішнього кільця постійної швидкості, внутрішнього кільця, поперечного вала, конічної шестерні автомобільного диференціала та інших високоточних деталей. Він зробив великий внесок у високу продуктивність японських автомобілів і зниження виробничих витрат.
Технологія холодної екструзії в Китаї має такий же час початку, як і в Японії. У 1970-х роках Китай використовував для просування технології екструзії з переохолодженням у серійному виробництві велосипедів, автомобільних електроприладів та інших продуктів, а також успішно розробив екструзійне формування стартового механізму та запустив його в серійне виробництво.
Однак низка технічних проблем, таких як процес, обладнання, матеріали, прес-форми, змащення, пристрої автоматизації та вихідний розмір, початковий стан і додаткова обробка заготовки, не були фундаментально вирішені, тому вона не була значно розроблена. У 1980-х роках, із швидким розвитком побутової техніки та автомобільної та мотоциклетної промисловості, впровадження, травлення та поглинання обладнання для процесу холодної екструзії та технології виробництва, наукові дослідники подолали багато проблем технології холодної екструзії за допомогою виробничої практики, і в той же час значного розвитку набуло також обладнання для холодного кування.
В даний час Китай може виробляти корпуси годинників, маховики для велосипедів, центральні вали, точні ковані шестерні, універсальні шарніри постійної швидкості для автомобілів, свічки запалювання та поршневі пальці для двигунів внутрішнього згоряння, автомобільні штовхачі, деталі камер, втулки для стартера автомобіля, пускові механізми тощо з технологією холодної екструзії та досягли такого ж рівня вдома та за кордоном.
Переваги процесу холодної висадки (екструзії).
Технологія холодної екструзії - це передова технологія виробництва з високою точністю, високою ефективністю, високою якістю та низьким споживанням, яка в основному використовується у великомасштабному виробництві малих і середніх поковок. Порівняно з іншими процесами обробки холодна екструзія має такі переваги:
а) Економія сировини. Холодна екструзія полягає у використанні пластичної деформації металу для виготовлення деталей необхідної форми, що може значно зменшити різання та покращити використання матеріалу. Коефіцієнт використання матеріалу при холодній екструзії зазвичай може досягати понад 80 відсотків.
б) Підвищення продуктивності праці. Використання процесу холодної екструзії замість різання для виготовлення деталей може підвищити продуктивність у декілька, десятки, навіть сотні разів.
c) Деталі можуть отримати ідеальну шорсткість поверхні та точність розмірів. Точність деталей може досягати IT7~IT8, а шорсткість поверхні може досягати R0.2~R0.6. Тому деталі, оброблені методом холодної екструзії, рідко піддаються повторному різанню, і їх потрібно лише тонко шліфувати в місцях з особливими вимогами.
d) Поліпшити механічні властивості деталей. Зміцнення металу в холодному стані після холодної екструзії та утворення розумного розподілу волокон всередині деталей роблять міцність деталей набагато вищою, ніж у сировини. Крім того, прийнятний процес холодної екструзії може сформувати напругу стиску на поверхні деталей і підвищити втомну міцність. Таким чином, процес термічної обробки може бути пропущений для деяких частин, які спочатку потребують посилення термічної обробки після процесу холодної екструзії. Деякі деталі спочатку повинні бути виготовлені з високоміцної сталі, і їх можна замінити низькоміцною сталлю після процесу холодної екструзії.
e) Він може обробляти деталі складної форми та важко розрізати. Наприклад, неправильний переріз, складна внутрішня порожнина, внутрішні зуби та невидима внутрішня борозна.
f) Зменшити витрати на деталі. Оскільки процес холодної екструзії має такі переваги, як економія сировини, підвищення продуктивності, зменшення обсягу різання деталей і заміна високоякісних матеріалів поганими матеріалами, вартість деталей значно знижується.
Труднощі застосування технології холодної екструзії
1) Високі вимоги до прес-форм. Під час холодної екструзії заготовка піддається тривимірній напрузі стиску в матриці, що значно підвищує стійкість до деформації, що робить напругу матриці набагато більшою, ніж у звичайної штамповки. Під час холодної екструзії сталі напруга матриці часто досягає 2000–2500 МПа. Крім високої міцності форма повинна мати достатню ударну в'язкість і зносостійкість. Крім того, сильна пластична деформація металевої заготовки у формі підвищить температуру форми приблизно до 250 ~ 300 градусів. Тому матеріал прес-форми потребує певної стійкості до відпуску. Через зазначені вище умови термін служби матриці для холодної екструзії набагато нижчий, ніж у матриці для штампування.
2) Потрібен великотоннажний прес. Через велику стійкість заготовки до деформації під час холодної екструзії потрібні сотні і навіть тисячі тонн преса.
3) Через високу вартість матриці для холодної екструзії, як правило, вона застосовна лише до деталей, вироблених у великих кількостях. Його відповідний мінімальний розмір партії становить 50 000 ~ 100 000 штук.
4) Перед екструзією заготовку необхідно обробити поверхнею. Це не тільки збільшує кількість процесів і займає велику виробничу площу, але й ускладнює реалізацію автоматизації виробництва.
5) Не підходить для обробки високоміцних матеріалів.
6) Пластичність і ударна в'язкість деталей холодної екструзії стають поганими, а залишкова напруга деталей є великою, що призведе до зниження деформації та корозійної стійкості деталей (корозія під напругою).
Тенденція розвитку технології холодної екструзії
1) Зі все більш серйозною енергетичною кризою люди будуть приділяти більше уваги якості навколишнього середовища, а все більш жорстка ринкова конкуренція сприятиме розвитку ковальського виробництва в напрямку високої ефективності, високої якості, вишуканості, енергозбереження та економії матеріалів. Тому виробництво очищених поковок, виготовлених екструзією та іншими технологічними методами, буде значно розвиватися в умовах ринкової конкуренції.
2) З розвитком автомобілів у напрямку легкої ваги, високої швидкості та плавності висуваються більш високі вимоги до точності розмірів, точності ваги та механічних властивостей поковок. Наприклад, на додаток до вимог щодо похибки між великим і малим кінцями, похибка ваги кожної поковки шатуна для автомобільного двигуна також повинна бути не більше 8 г. Високі вимоги до нової продукції сприятимуть розвитку досконалої технології виробництва.
3) Спеціалізована та великомасштабна організація виробництва все ще є напрямком розвитку та тенденцією виробництва холодної екструзії. У Франції загальна продуктивність праці професійних виробників, які виробляють поковки методом екструзії з 1991 по 1994 рр., тобто продуктивність і вихідна вартість екструзійних деталей на людину, є вищими, ніж у звичайних виробників, які виробляють поковки або вільні поковки. Візьмемо, наприклад, 1994 рік: виробництво екструзійних деталей професійних виробників на душу населення становило 51024 кг, тобто вихідна вартість склала 775688 франків. У той самий період середня продукція на одну людину виробників, які виробляють штамповки, становила лише 39344 кг із вартістю виробництва 592384 франків, що становило лише 77,1 відсотка та 76,37 відсотка професійних виробників екструзійних деталей. У порівнянні з безкоштовною ковальською фабрикою він нижчий.
4) Спеціальна екструзійна машина стане тенденцією розвитку. З розвитком вдосконаленого виробництва середніх і дрібних поковок і просуванням і застосуванням процесів холодної екструзії та гарячої екструзії, багатостанційні преси холодної екструзії, прецизійні преси та спеціальні машини, розроблені та виготовлені для певних поковок, отримають великий розвиток.
Загальні методи екструзії можна розділити на такі категорії
a) Під час екструзії вперед напрямок потоку металу узгоджується з напрямком руху пуансона. Екструзію вперед можна розділити на два типи: суцільну екструзію вперед і порожнисту екструзію вперед. Методом прямої екструзії можна виготовляти суцільні та порожнисті деталі різної форми, такі як гвинти, оправки, труби та гільзи.
b) Зворотне екструзування: під час екструзії напрямок потоку металу протилежний напрямку руху пуансона. Зворотне видавлювання можна використовувати для виготовлення чашеподібних деталей з різною формою поперечного перерізу, таких як корпус приладу, втулка підшипника карданного шарніра тощо.
c) Складна екструзія: під час екструзії частина напрямку потоку металу заготовки збігається з напрямком руху пуансона, а інша частина напрямку потоку металу протилежна напрямку руху пуансона. Сполучений метод екструзії може виготовляти подвійні чашечки, а також чашки та стрижні.
e) Екструзія зі зменшеним діаметром є різновидом ненормального методу прямої екструзії з невеликою деформацією, і заготовка лише трохи зменшена. Він в основному використовується для виготовлення ступінчастих деталей валів з невеликою різницею в діаметрі та як фінішний процес деталей чашок з глибокими отворами.
Загальною рисою вищевказаних методів екструзії є те, що напрямок потоку золотих крихт є паралельним осі пуансона, тому його можна спільно назвати методом осьової екструзії. Крім того, розрізняють радіальну екструзію і висадну екструзію.
Порівняння холодної екструзії, гарячої екструзії та теплої екструзії
а) Хоча метод холодної екструзії має багато переваг, великий опір деформації обмежує розмір деталей, а також обмежує використання технології холодної екструзії для матеріалів з великим опором деформації.
b) Хоча метод гарячої екструзії може знизити опір деформації матеріалу, він може знизити точність розмірів і якість поверхні виробу через проблеми окислення, зневуглецювання та теплового розширення, спричинені нагріванням. Тому, як правило, він потребує багато механічної обробки, перш ніж його можна буде використовувати як кінцевий продукт.
c) Метод гарячої екструзії полягає в нагріванні заготовки до відповідної температури, нижчої від температури рекристалізації металу для екструзії. Завдяки нагріванню металу знижується опір деформації заготовки, полегшується формування, також можна зменшити тоннаж преса та подовжити термін служби матриці. Однак він відрізняється від гарячої екструзії, оскільки можливість окислення та зневуглецювання мала при нагріванні в діапазоні низьких температур, а механічні властивості продукту не відрізняються від властивостей холодної екструзії. Зокрема, матеріали, які важко обробляти при кімнатній температурі, такі як нержавіюча сталь, високовуглецева сталь, деякі сталі з високим вмістом хрому та суперсплави, які виділяють загартовані фази, можуть стати придатними або легкими для механічної обробки під час гарячої екструзії.
d) Тепла екструзія підходить не тільки для матеріалів, які важко обробляти з високою стійкістю до деформації, але також підходить для низьковуглецевої сталі, придатної для холодної екструзії, оскільки тепла екструзія має перевагу у полегшенні безперервного виробництва. Під час холодної екструзії, включаючи холодну екструзію низьковуглецевої сталі, перед обробкою, як правило, потрібен попередній розм’якшувальний відпал, а відпал також необхідний між процесами холодної екструзії. Обробка пасивування повинна бути проведена перед холодною екструзією. Це ускладнює організацію безперервного виробництва. Під час гарячої екструзії можна уникнути попереднього розм’якшувального відпалу та відпалу між різними процесами, а також можна уникнути обробки поверхні, що робить можливим безперервне виробництво мікроструктури. Принаймні, можна скоротити багато допоміжних процесів.
e) Тепла екструзія може прийняти велику деформацію, що може зменшити кількість процесів. Витрати на штампи також можна значно скоротити, а універсальне ковальське обладнання можна використовувати замість дорогого ковальського обладнання з надзвичайно високою жорсткістю. Таким чином, хоча тепла екструзія потребує нагрівання металу, загальна вартість обробки відносно низька, особливо при виготовленні неосесиметричних фасонних деталей за допомогою складних процесів, гаряча екструзія може зіграти свою роль.
f) В даний час мастило, що використовується для гарячої екструзії, не є повністю задовільним. У той же час також бракує практичних даних щодо обробки, і є багато технічних проблем, які потрібно вирішити.
Порівняння процесів гарячої та холодної осадки кріпильних виробів
Гаряче засмучення
У процесі гарячої осадки заготовка нагрівається індукційним способом або в ковальській печі чи печі до температури вище температури кристалізації металу.
Ця надзвичайно висока температура необхідна, щоб уникнути деформаційного зміцнення металу під час деформації. Оскільки метал знаходиться в стані формування, він може створювати досить складні форми. Метал зберігає пластичність і міцність.
Середня температура кування, необхідна для гарячої висадки різних металів, становить:
Сталь до 1150 градусів С
Алюмінієвий сплав від 360 до 520 градусів C
Мідний сплав від 700 до 800 градусів С
Для кування деяких металів, таких як суперлегована сталь, використовується гаряче осадження, яке називається ізотермічним куванням.
Тут форма нагрівається до температури, близької до температури заготовки, щоб уникнути охолодження поверхні деталей у процесі кування. Кування іноді проводиться в контрольованій атмосфері, щоб звести до мінімуму утворення окалини.
Взагалі кажучи, складні деталі виготовляються методом гарячої висадки, оскільки це дозволяє матеріалу деформуватися в його пластичному стані, а метал легше обробляти.
Фактори, які слід враховувати при гарячому заголовку, включають:
Виготовлення складних деталей
Розміри середньої та низької точності
Низький рівень стресу або низький рівень загартування
Рівномірна зерниста структура
Підвищена пластичність
До недоліків гарячої висадки можна віднести:
Менш точні допуски
Під час охолодження матеріал може деформуватися
Зміна зернистої структури металу
Можлива реакція між навколишньою атмосферою та металом
Холодна висадка (або холодне формування)
Холодна висадка спричиняє деформацію металу нижче точки кристалізації. Холодна висадка знижує пластичність і покращує міцність на розрив і межу текучості. Холодне висаджування зазвичай проводять при кімнатній температурі.
Найпоширенішим металом для холодної висадки зазвичай є вуглецева сталь або вуглецева легована сталь. Холодна висадка - це зазвичай закритий процес.
Холодне висаджування зазвичай дешевше, ніж гаряче висаджування, і кінцевий продукт потребує незначної обробки. Завдяки підвищенню міцності металу шляхом холодної висадки, матеріали нижчого класу іноді можна використовувати для виготовлення деталей, які не піддаються механічній обробці або гарячій висадці.
Холодна висадка також менш сприйнятлива до забруднення, а кінцева частина має кращу загальну обробку поверхні.
До недоліків можна віднести:
Перед куванням поверхня металу повинна бути чистою і без окалини
Погана пластичність металу
Може виникнути залишкова напруга
Потрібне більш важке і габаритне обладнання
Потрібна форма більшої міцності
Тепле засмучення
Теплу висадку проводять нижче температури рекристалізації, але вище кімнатної температури, долаючи недоліки гарячої та холодної висадки та здобуваючи їх переваги.
Утворення невеликої кількості оксидного накипу можна контролювати точніше, ніж гаряче випаровування. Порівняно з холодною висадкою вартість обробки нижча, а тиск, необхідний для виробництва, також нижчий.
Порівняно з холодною обробкою, нагартування зменшується, а пластичність покращується.
