Розвиток пресування металів почалося в кінці XVII століття, коли на найпростіших пресах * було освоєно пресування труб і прутків з дуже м'якого, металу - свинцю. З плином часу техніка пресового виробництва розвивалася -прогрессіровала конструкція пресів і збільшувалася їх потужність, удосконалювалися конструкції пресового інструменту та матеріали для їх виготовлення, залучалися до обробку все нові метали і сплави - міцніші, що вимагають високих температур обробки; ускладнювалася форма і поліпшувалася якість прес-виробів. В даний час пресування - сучасний, що швидко розвивається процес обробки металів тиском, який грає важливу роль в прискоренні технічного прогресу. Розвитку пресування в великій мірі сприяло чи роботи багатьох російських і радянських інженерів і вчених, серед яких слід назвати П. С. Істоміна, С. І. Губкіна, І. Л. Перлина, В. І. Жолобова, Л. А. Шофман, Я. М. Охріменко, Л. В. Прозорова, Ю. Ф. Шевакіна, М. 3. Ерманка, М. Ф. Захарова, А. І. Колпашнікова, Л. Г. Степанського та багатьох інших.
Зовні схема процесу пресування вельми нескладна і полягає в тому, що метал заготовки, поміщений в замкнуту порожнину, під впливом робочого тиску, яке передається через інструмент від преса, видавлюється у вигляді прес-вироби - профілю, прутка, труби панелі. У техніці пресування прес-виріб будь-якої конфігурації називають профілем. Найбільш поширений спосіб прямого пресування ** і застосовуваний для цієї мети основний технологічний інструмент наведено на рис. 2. У контейнер 3 завантажують заготовку 4. З вихідний боку контейнера встановлена матриця 2. Прес-штемпель 6 кріпиться до плунжеру преса і передає тиск на заготовку. Прес-шайба 5 служить проміжною прокладкою між заготівлею та прес-штемпелем. За матрицею є також напрямна (на малюнку не показана), яка запобігає небажаний вигин профілю після виходу з матриці.
Мал. 2. Найбільш поширена схема прямого пресування металів: 1 - прес-виріб; 2, - матриця; 3 - контейнер; 4 - заготовка; 5 - прес-шайба; б - прес-штемпель
Основна частина інструменту - матриця. Форма її каналу визначає зовнішню форму профілю. Для переходу з пресування одного профілю на інший досить змінити тільки матрицю. Тому час переходу з виробництва одного виробу на інший при пресуванні значно менше, ніж, наприклад, при сортовий прокатки; там для переналагодження виробництва на інший профіль потрібно перевалка валків і перебудова всієї лінії. Тому пресування профілів вигідно в тому випадку, коли потрібні невеликі їх кількості, т. Е. При дрібносерійному виробництві.
Заготівлею для пресування зазвичай служить злиток, іноді попередньо деформований. У більшості випадків заготовка має циліндричну форму і значно рідше - плоску.
Процес найчастіше здійснюється наступним чином: заготівля, попередньо нагріта в печі, спеціальним механізмом подається в контейнер, вихідна частина якого закрита матрицею. Потім з протилежного боку в контейнер вводять прес-шайбу і прес-штемпель, і заготівля таким чином виявляється в замкнутому просторі. Після цього в головний циліндр преса подають рідину під високим тиском, і плунжер починає рухатися вперед, передаючи високий тиск на заготовку через прес-штемпель і прес-шайбу. Нагрітий метал заготовки стає пластичним і видавлюється у вигляді профілю через канал матриці. Пресування триває до тих пір, поки в контейнері не залишиться незначна частина металу, звана прес-залишком. Довжина прес-залишку визначається з умов закінчення, розглянутих нижче. Прес-виріб по мірі видавлювання заготовки виходить з матриці і пересувається по столу преса. Після закінчення пресування воно відрізається від прес-залишку і передається на подальшу обробку, а прес-залишок видаляється у відходи. Після цього цикл пресування повторюється. Циклічність, т. Е. Переривчастість - недолік пресування, який відрізняє його від таких безперервних процесів обробки металів тиском, як, наприклад, прокатка або волочіння.
Пресування здійснюється частіше на гідравлічних пресах і рідше - на механічних. Сучасні гідравлічні преси - складні потужні машини, для створення яких потрібен високий рівень розвитку техніки. Внаслідок цього пресування отримало розвиток зовсім недавно, коли промисловість навчилася створювати потужні гідравлічні преси. Сьогодні найбільша потужність гідравлічних пресів 200 МН, він важить понад 3000 тонн, його вартість близько 15 млн. Руб. на ньому можна пресувати заготовки діаметром до 1100 мм.
Пресування металу може здійснюватися за різними схемами. Відмітна риса прямого пресування (див. Рис. 2) - пересування заготовки в процесі пресування щодо стінок контейнера. Інша поширена схема - зворотне пресування *** (рис. 3), при якому такого пересування не відбувається.
Незважаючи на простоту схеми, в металі заготовки при отриманні різних прес-виробів відбуваються досить складні процеси, в основному пов'язані з нерівномірністю закінчення металу. Ця нерівномірність пояснюється тим, що поперечний переріз прес-вироби, як правило, відрізняється від такого заготовки, і різні її частини тому видавлюються неоднаково. Наприклад, шари заготовки, що знаходяться перед порожниною каналу матриці, відчувають менший опір руху, ніж ті її шари, які розташовані далі від поздовжньої осі каналу; периферійні шари заготовки проходять більший за довжиною шлях, ніж центральні. Впливає на закінчення і контакт заготовки зі стінками контейнера. Цей контакт може внаслідок впливу тертя також затримувати рух периферійних шарів і навіть призводити до деякого їх захолажіванію, якщо температура контейнера нижче температури заготовки. Нерівномірне ж по перетину заготовки температура викликає неоднакове розподіл величини опору деформації, що в свою чергу призводить до збільшення нерівномірності закінчення металу. В результаті в пресованої заготівлі утворюються обсяги металу, витікання яких неоднаково, а це в значній мірі впливає на якість готової продукції.
Мал. 3. Схема зворотного пресування: 1 - прес-виріб; 1 - порожнистий прес-штемпель; 3 - контейнер; 4 - матриця; 5 - заготовка
Мал. 4. Схема, що ілюструє характер закінчення металу в матрицю при пресуванні
Метал при обробці тиском пересувається по лінії найменшого опору. Тому при пресуванні він не тече по поверхні, позначеної буквами ABC (рис. 4), а видавлюється з контейнера з якоїсь іншої криволінійної поверхні ADC. Між поверхнями ABC і ADC утворюється загальмований обсяг металу (його іноді називають «мертвою» зоною), який з контейнера майже не видавлюється, а утворює як би воронку з криволінійними стінками. У цю воронку і закінчується через матрицю метал заготовки, набуваючи форму прес-вироби.
Ті шари металу загальмованою зони, які прилягають до кордону ADC діють на поточні шари металу заготовки. На зовнішніх поточних шарах металу часто накопичуються різні забруднення (неметалеві частинки, сторонні з'єднання), а в загальмованою зоні вони затримуються і не потрапляють через матрицю в метал прес-вироби. Якщо ж забруднення перейдуть в прес-виріб, то його доведеться забракувати.
У міру випрессовкі заготовки відбуваються зміни і в центральних її шарах: у них внаслідок видавлювання металу заготовки з неоднаковими швидкостями по перетину (швидкості металу в центрі вищі, ніж на периферії) утворюється порожнина або рихлоти, яка в кінці пресування може перейти в прес-виріб . Ця порожнина або рихлоти металу в прес-виробі називається прес-утяжіни; якщо вона утворюється в виробі, то воно не годиться для використання.
Подумки виділимо в заготівлі елементарний кубик металу і подивимося, які сили при пресуванні на нього діють. Виявляється, що на всі грані цього кубика діють стискають сили. Деформація в таких умовах здійснюється тому, що ці сили неоднакові за величиною. Відповідно до теорії обробки металів тиском, пластична деформація під впливом тільки стискають сил може досягати найбільших ступенів без руйнування металу. Так, величина витяжки при пресуванні може досягати дуже високих велічін- для м'яких металів більш 1000. Це означає, що поперечний переріз прес-вироби в 1000 разів менше перетину заготовки.
Здатність металу пресувати з високими витяжками - відмінна риса процесу. Якби ми виріб, пресується, наприклад, з витяжкою 30, вирішили отримати методом сортової прокатки, то довелося б вводити дуже велике число переходів. Пояснюється це тим, що при сортовий прокатки на частку деформованого металу діють дві стискають і одна сила, що розтягує. А при такій схемі сил найбільша величина деформації без руйнування значно нижче, ніж при пресуванні. Тому для отримання вироби з витяжкою 30 загальну деформацію доводиться поділити на кілька переходів. Здатність металів пресувати з високими витяжками дозволяє отримувати пресуванням, особливо з пластичних сплавів, виріб практично будь-якої конфігурації за один перехід. У цьому одна з головних переваг пресування перед прокаткою.
Однак високі витяжки, з якими зазвичай пресують метали, вимагають великих зусиль пресування і витрат великої кількості енергії. Тому пресування здійснюється на потужних високонавантажених машинах - пресах. При цьому інструмент, за допомогою якого метал пресується, повинен витримувати дуже високі навантаження, протистояти їм. Зазвичай напруга на прес-шайбі становить 400-800 МПа. Це означає, що в контейнері розвивається дуже високий тиск, рівне 400-800 МПа, але іноді при пресуванні профілів з високими витяжками з високоміцних сплавів воно досягає 1 ГПа, а то і більше. З метою зменшення необхідних тисків пресування заготовку зазвичай нагрівають до температури, при якій відбувається найбільше зниження опору деформації металу і підвищення його пластичності. Залежно від металу або марки сплаву ці температури різні, наприклад, для алюмінієвих сплавів - близько 400 ° С, мідних - близько 700 ° С, титанових - близько 900 ° С.
Для виробничника дуже важливо знати, при якій швидкості слід пресувати виріб, так як вона впливає на якість продукції і, крім того, визначає продуктивність пресової установки. Швидкість пресування неоднакова для різних сплавів, а також пов'язана з рядом процесів, що відбуваються в пресованої заготівлі.
Розрізняють швидкість пресування (σп) і швидкість витікання σі. Швидкість пресування - це швидкість, з якою рухається плунжер преса, прес-штемпель і заготівля щодо контейнера. Швидкість витікання - це швидкість, з якою профіль виходить з каналу матриці. Неважко уявити, що швидкість витікання більше швидкості пресування і різниця визначається витяжкою, т. Е. Чим більше витяжка, тим швидкість витікання більше швидкості пресування. Швидкості пов'язані співвідношенням σі = μσп, де μ - коефіцієнт витяжки.
Швидкість витікання для різних сплавів різна - від кількох десятих часток метра в хвилину до десятків метрів в хвилину. В даний час в найбільших кількостях пресують алюмінієві сплави, в промислових масштабах освоєно пресування магнієвих, мідних, титанових сплавів, різних сталей, а також тугоплавких, жароміцних та деяких інших сплавів зі спеціальними властивостями (наприклад, берилієвих, радіоактивних та ін.).
Як вже говорилося вище, пресуванням, особливо з пластичних сплавів, наприклад, алюмінієвих, можна отримати профіль практично будь-якої конфігурації. Промисловістю освоєно десятки тисяч різних конфігурацій профілів (рис. 5). Все це різноманіття можна класифікувати на кілька основних видів. 1. Профілі суцільного поперечного перерізу і порожнисті. Найпростішим представником порожнистих профілів є труба. Інструментальна налагодження для пресування порожнистих профілів відрізняється від рис. 2 і З наявністю оправлення, яка формує внутрішню порожнину. Більш докладно про це буде сказано нижче. 2. Профілі постійного перерізу по довжині і змінного перерізу, т. Е. Поперечний переріз яких має різні форму і розміри по довжині. Ці вироби в техніці мають велике значення, так як дозволяють економити багато металу і трудових витрат при виготовленні різних машин. Особливості пресування профілів змінного перерізу розглянуті нижче.
Мал. 5. Приклади профілів з алюмінієвих сплавів
Найбільший габаритний розмір поперечного перерізу профілів описується окружністю, діаметр якої досягає 1000 мм, а площа перерізу 1500 см 2 (з алюмінієвих сплавів). Найменші за розмірами профілі мають габаритний розмір 2 мм і товщину стінки до 0,3 мм, причому допуски на розмір в окремих випадках можуть бути доведені до ± 0,5% від номінального креслярського розміру. Довжина основної маси профілів, що випускають не перевищує 6-10 м; разом з тим для спеціальних цілей випускають профілі довжиною до 40 м, а згорнутими в бухту - до декількох тисяч метрів.
* Прототип сучасного горизонтального гідравлічного преса з'явився в 1895 р
** Більш точну назву - пресування з прямим закінченням металу.
*** Більш точну назву - пресування із зворотним виділенням металу.