Gamybos pramonėje produktas dažnai formuojamas ir surenkamas naudojant iš plieno pagamintus įrankius. Tokie įrankiai svyruoja nuo įprastų ir nespecializuotų, tokių kaip grąžtai ir atsuktuvai, iki labiau specializuotos įrangos, tokios kaip štampai išlydytam metalui lieti arba tokioms dalims kaip automobilių skydai formuoti (inžinerijoje formavimas reiškia kalimą arba štampavimą). Yra daug rūšių įrankinio plieno. Įrankinis plienas metalui pjauti paprastai pasirenkamas iš greitapjovių plienų (HSS) šeimos, kurie taip vadinami, nes išlieka kieti ir atsparūs dilimui iki 600 laipsnių Celsijaus (C). HSS gali pjauti metalus dideliu greičiu, palyginti su įrankiais, pagamintais iš įprastesnio plieno, kuris pradeda minkštėti maždaug virš 200 laipsnių Celsijaus. Panašus skirtumas egzistuoja ir tarp plieno rūšių, naudojamų metalui lieti arba formuoti. Šiose operacijose inžinieriai kalba apie karštojo apdirbimo įrankinį plieną ir šaltojo apdirbimo įrankinį plieną. Karštojo apdirbimo įrankinis plienas naudojamas štampams, kurie laiko išlydytus metalus, tokius kaip aliuminis ir cinkas, vietoje, kol skystis sukietėja, arba metalui formuoti aukštesnėje nei 200 laipsnių C temperatūroje, o šaltojo apdirbimo įrankinis plienas naudojamas metalui formuoti žemesnėje nei ta pati temperatūra.
Įvadas
Gamybos pramonėje terminai „įrankis“ ir „įrankinis plienas“ turi specialią techninę reikšmę. Jie vartojami apibūdinti gamybos mašinos dalį, kuri liečiasi su gaminiu, ir plieną, iš kurio ši dalis pagaminta, jei ji pagaminta iš plieno (kaip paprastai).
Taip apibrėžti įrankiai gali būti naudojami pjovimui, liejimui ar formavimui.
Pjaustymas yra veiksmas, atliekamas grąžto arba tekinimo staklės vieno taško įrankio. Tai taip pat veiksmas, atliekamas frezavimo staklės arba pjūklo disko daugiataškio įrankio.
Liejimas yra veiksmas, kurio metu išlydytas metalas arba bet kuri kita išlydyta medžiaga laikoma vietoje, kol ji sukietėja.
Formavimas yra kieto ruošinio kalimo, lenkimo ar štampavimo veiksmas, kurio metu keičiama jo forma neprarandant medžiagos.
Kartais šie veiksmai yra derinami, pavyzdžiui, kai presas išpjauna apskritimą metalo lakšte ir tuo pačiu metu suformuoja jį į puodo dugną.
Šiuo techniniu požiūriu, įrankis laikantis staklės ir medžiagos, iš kurių pagaminta įrankis laikantis staklės, paprastai vadinamos atskirai nuo paties įrankio.
Įrankių plienų istorija
Pirmieji įrankiniai plienai tikriausiai buvo naudojami tradiciniams instrumentams, tokiems kaip plaktukai, priekalai, peiliai ir kirviai, gaminti. Iš pradžių jie vos skyrėsi nuo įprastos geležies, pagamintos pačiais primityviausiais būdais.
Tačiau laikui bėgant tradiciniai kalviai išmoko keisti geležies savybes, kad ji taptų kietesnė vieniems tikslams, o tvirtesnė – kitiems. Šios modifikuotos geležies formos tapo pirmosiomis tikromis plieno formomis.
Plieno gamybos pradžioje, daugiau nei prieš tris tūkstančius metų, kalviai atrado, kad pakaitinus tam tikros sudėties geležį ir panardinus ją į aliejų ar vandenį, ją galima padaryti kietesnę, nei tiesiog leidžiant jai natūraliai atvėsti. „Tam tikros sudėties“ turiu omenyje geležį, kurioje karštoje būsenoje buvo maždaug vienas procentas (pagal svorį) ištirpusios anglies. Staigus gesinimas neleistų anglims išsiskirti iš tirpalo ir susidaryti palyginti didelėms geležies karbido dalelėms santykinai grynos ir minkštos geležies matricoje. Vietoj to, gesinimo procesas užrakindavo anglies atomus vietoje to, kas dabar buvo įtempta geležies ir anglies matrica, vadinama martensitu, kurią sunkiau deformuoti.
Žinoma, tuo metu visa ši chemija nebuvo žinoma. Vietoj to, senųjų laikų kalviai dirbo vadovaudamiesi įvairiomis nykščio taisyklėmis. Anglų kalboje iš to kilo posakis „juodasis menas“. Kalvių darbas buvo labiau menas nei mokslas, jis buvo niūrus ir juodas fizine prasme, be to, niekas iš tikrųjų nežinojo, ką kalviai daro. Ar jie buvo susivieniję su demonais iš panašios ugnies pragaro duobės? Dėl visų šių priežasčių kalvio darbas buvo žinomas kaip „juodasis menas“ – terminas, kuris šiandien taikomas bet kuriam kitam panašiai paslaptingam procesui.
Viešai prieinamas tradicinio kalvio (1606 m. po Kr.) vaizdas per Wikimedia Commons
Laikui bėgant, kalvių amatas tapo įmantresnis ir meistriškesnis, nors ir išliko menu. Kiečiausio plieno gabalai būdavo dedami ten, kur būtų ašmenų ašmenys, ir sujungiami su minkštesnio, bet tvirtesnio plieno gabalais, kad susidarytų pagrindinė ašmenų dalis. Kitas pradinio paruošimo metodas buvo karbido dendritų nusodinimas viename plieno bloke. Tačiau iš pradžių kompozitas būdavo daug kartų kaltas, kaitinamas ir lankstomas, kad būtų suardytos potencialiai trapios priemaišos ir dujų burbuliukai, ir suformuotos ašmenys su tvirtu korpusu ir aštriais kraštais. Šios technikos, kurios pagal pavadinimą apėmė japonų... mokume-gane metodas ir Artimųjų Rytų Damaskas metodas, gamino plieną su sūkuriniais raštais, kurie atskleidė pagrindinę struktūrą, ypač kai buvo išgraviruoti. Vis dėlto mokslinio supratimo apie tai, kas iš tikrųjų vyko, buvo mažai, priešingai nei intuityvus ir meninis supratimas.
Japoniškas mokume-gane technika pagamintas kalavijas grandininių šarvų fone. Nuotrauka: „Dafannin“, 1986 m. gegužės 12 d. BK BY-SA 4.0 per Wikimedia Commons.
Moksliškesnis požiūris atsirado XVIII a. pabaigoje ir XIX a. pradžioje. Atsiradus šiuolaikinei chemijai, tapo aišku, kad to meto plienas buvo geležies ir kitų elementų lydinys, netgi kompozitas; kad pagrindinis priedas buvo anglis; ir kad anglis minkštame pliene, kietajame pliene ir ketuje (kur anglies koncentracija buvo apie keturis procentus svorio) buvo įvairių formų.
Kontroliuojamai padidinus anglies kiekį pliene, tapo įmanoma gaminti ypač kietus, nors ir šiek tiek trapius, plienus, kurie puikiai tiko pjauti kitų rūšių plieną. Taip gimė pirmieji šiuolaikinio tipo įrankiniai plienai.
Šie ankstyvieji įrankiniai plienai daugiausia derino martensito (grūdinto) matricą su papildomais geležies karbido intarpais.
Tačiau jie turėjo trūkumą – jie linkę minkštėti aukštesnėje nei 200 laipsnių Celsijaus temperatūroje, ir tai ribojo jų panaudojimo kitiems plienams pjauti greitį.
1868 m. škotų inžinierius Robertas Mushetas, pats vieno pirmųjų geležies apdirbimo meistrų, pripažinusių anglies svarbą, sūnus, sugalvojo plieno rūšį, kuri išliko kieta aukštesnėje temperatūroje.
Naujasis lydinys, žinomas kaip „Mushet“ plienas, turėjo ne tik įprastą anglies kiekį, bet ir dar didesnį kiekį mangano bei volframo. „Mushet“ plienas taip pat turėjo neįprastą savybę – jo nereikėjo grūdinti skystyje. Tai buvo pirmasis „oru grūdinamas“ plienas: plienas, kuris sukietėjo iki martensito lygio tiesiog atvėsdamas nuo raudonojo karščio oro srove.
XX a. pradžioje amerikiečių inžinierius Frederickas Winslow Tayloras ir jo kolegos dar labiau patobulino „Mushet“ plieno savybes. Rezultatas tapo žinomas kaip greitapjovis plienas (HSS). HSS išlieka naudingai kietas iki 500 ar net 600 laipsnių Celsijaus: iš čia ir kilo jo pavadinimas, nes jį galima naudoti pjaustant kitus plienus dar didesniu greičiu nei „Mushet“ plieną. Kartu su geležimi ir anglimi, būdingais visų tipų plienui, daugumoje HSS lydinių yra daug volframo ir chromo, kuris pakeitė manganą pradinėje „Mushet“ formulėje.
Šiomis dienomis karbido antgaliai dažnai naudojami sudėtingiausioms metalo pjovimo užduotims, nors greitapjovis plienas išlieka pageidaujama medžiaga pjūklų geležtėms ir spiraliniams grąžtams gaminti, nes į juos įdėti karbido antgalius paprastai būtų nepraktiška, ypač mažesnio skersmens ir smulkesnio dantų dydžio atveju.
O kaip dėl liejimo ir formavimo?
Iki šiol aprašiau pjaustymui naudojamų įrankinių plienų patobulinimus – nuo ankstyvųjų ašmenų iki šiuolaikinių greitaeigio plieno (HSS) pramoninių įrankių. Tačiau šiuolaikinis skirtumas tarp šaltojo apdirbimo įrankinio plieno ir karštojo apdirbimo įrankinio plieno iš tikrųjų taikomas plienams, kurie naudojami liejimui ir formavimui.
Karštojo apdirbimo plienai naudojami procesams, kai įrankio temperatūra viršija 200 laipsnių Celsijaus (392 laipsnius pagal Farenheitą).
Šaltojo apdirbimo įrankių plienai naudojami procesams, kai įrankio temperatūra išlieka žemesnė nei 200 laipsnių Celsijaus.
200 laipsnių Celsijaus skiriamoji linija nėra absoliučiai griežta ir tiksli, atsižvelgiant į tai, kad yra daug skirtingų lydinių su skirtingomis savybėmis, tačiau tai yra įprasta skiriamoji linija, plačiai minima literatūroje.
Visų rūšių įrankinio plieno gedimo priežastys yra lūžis, deformacija (ypač nuolatinė arba „plastinė“ deformacija), paviršiaus dilimas ir paviršiaus nuovargio įtrūkimų, kuriuos sukelia cikliniai įtempiai, atsiradimas. Cikliniai įtempiai yra ir mechaninės, ir terminės kilmės; terminiai įtempiai yra ypač rimta problema karštojo apdirbimo įrankiniams plienams.
Šaltojo darbo įrankių plienas
Šaltojo apdirbimo įrankių plienai paprastai yra didelio anglies kiekio plienai, kurių sudėtyje paprastai yra apie vieną–pusantro procento anglies pagal svorį. Dažniausiai pasitaikantys tipai yra alyvoje grūdinami mažai legiruoti plienai, ore grūdinami vidutinio lydinio plienai ir didelio anglies kiekio, didelio chromo kiekio plienai.
Alyvoje grūdinami mažai legiruoti plienai yra pigiausi. Išskyrus tai, kad juose yra mažiau priemaišų, jie yra labai panašūs į senamadiškas įrankinio plieno formas, kurios buvo naudojamos iki „Mushet“ plieno.
Oro grūdinimo būdu vidutinio lydinio markės kietėja mažiau deformuodamosi nei plienai, kuriuos reikia grūdinti. Jas taip pat galima grūdinti storesniais pjūviais nei alyvoje grūdintą plieną, iki 100 milimetrų ar daugiau.
Didelio anglies ir chromo kiekio plienai, kurie, priklausomai nuo tikslios jų sudėties, grūdinami alyvos arba oro grūdinimu, yra atspariausi dilimui.
Šaltojo apdirbimo įrankių plienai paprastai naudojami įvairiems kasdieniams pramoniniams tikslams, įskaitant:
- Plastiko liejimas slėgiu
- Plonų metalinių plokščių, tokių kaip lenktos automobilių kėbulo plokštės, formavimo štampai
- Tekinimo staklių griebtuvai ir centrai
- Volai
- Sriegių ir griovelių formavimo ritininiai štampai
- Prakiurktuvai, gręžtuvai, sriegikliai ir įtvarai
- Vielos ir šaltų vamzdžių ratukai ir laikikliai
- Žirklės, peiliai ir kiti pjovimo įrankiai, skirti trumpam pjovimui ir mažai šilumos išskiriamoms reikmėms.
- matuokliai
- Štampo, braižymo ir pradurimo štampai
Karšto darbo įrankių plienai
Kaip ir „Mushet“ plienas bei ankstyviausi greitaeigiai plienai, karštojo apdirbimo įrankių plienuose tradiciškai buvo daug volframo kaip legiruojančio elemento. Tačiau yra ir karštojo apdirbimo įrankių plienų, kurių pagrindinis legiruojantis elementas yra chromas, ir kitų rūšių, kurių pagrindinis legiruojantis elementas yra molibdenas.
Kartu su greituoju metalo pjovimu ir gręžimu, karštojo apdirbimo įrankių plienai paprastai naudojami:
- Metalų liejimas
- Išspaudimas
- Kalimo
- Stiklo gaminių gamyba
Medžiagų pasirinkimas liejimui
Liejimo procesai, kuriems naudojamas įrankinis plienas, vadinami liejimu slėgiu, kai įrankis tarnauja kaip forma, suteikianti galutiniam gaminiui detalią arba palyginti tikslią formą tiksliau ir pakartojamiau nei liejant smėlio formose.
Liejimas slėgiu tikriausiai atsirado XV a., kai buvo liejamos judančio šrifto raidės atviruose šratuose, kiekvienos raidės formos. Šiuolaikine prasme metalas slėgiu įpurškiamas į formą, pagamintą iš dviejų priešingų įrankių, kuriuos jis tiksliai užpildo.
Plastiko štampavimo įrankiai dažniausiai gaminami iš specialių šaltojo apdirbimo plieno rūšių, vadinamų P plienais, iš aliuminio arba iš berilio ir vario lydinių. Vario ir aliuminio privalumai šiam tikslui yra daug didesnis šilumos laidumas ir dėl to greitesnis bei tolygesnis aušinimas nei plieno.
Kita vertus, plieno formos tarnauja ilgiau (iki milijonų ciklų) ir yra geriau atsparios greitai judančio plastiko čiurkšlių sukeliamai erozijai, ypač jei jame yra abrazyvinio kompozicinio armatūros, tokios kaip stiklo pluoštas. Kai kuriuos paviršiaus apdailos būdus taip pat galima patikimai pasiekti tik su plienu.
Medžiagų parinkimas formavimo procesams
Metalo formavimo procesai, kuriems naudojamas šaltojo apdirbimo įrankinis plienas, paprastai nėra labai susiję su labai didele metalo tūrio deformacija. Sriegių įvedimas į strypo paviršių valcuojant arba plokščio metalo lakšto presavimas į sudėtingas automobilio kėbulo plokštės kreives yra tipiški šaltojo formavimo procesai.
Sriegio šaltojo valcavimo formavimas. Grafika: „Tosaka“, 2009 m. spalio 12 d. CC BY 3.0 per Wikimedia Commons.
Šaltojo apdirbimo procesai dažnai pagerina metalo kokybę, pakeisdami metalo kristalinę struktūrą ir darbo grūdinimasis, nors poveikis kristalinei struktūrai paprastai apsiriboja paviršiumi ir yra mažiau dramatiškas nei kalimo atveju, kurį aptarsiu kitame skyriuje.
Visuose sudėtingesniuose metalo formavimo procesuose naudojami karštieji procesai (virš 200 laipsnių Celsijaus). Kaip minėta, jie apima:
- Ekstruzija ir
- Kalimo
Kaip jau minėjome, stiklo gaminių gamyba yra dar viena svarbi karštojo apdirbimo įrankinio plieno taikymo sritis.
Išspaudimas yra procesas, kurio metu pašildyta ir suminkštinta medžiaga stumiama per štampo formą, kad būtų suformuotas ilgas, pastovaus skerspjūvio profilio gaminys. Labiausiai žinomi ekstruzinių gaminių pavyzdžiai yra plastikiniai ir aliuminio profiliai, kurie gali būti gana sudėtingų formų. Plastikiniai profiliai gali būti ekstruduojami per šaltojo apdirbimo įrankinio plieno štampo formas, tačiau aliuminio profiliai turi būti ekstruduojami per karštojo apdirbimo įrankinio plieno štampo formas.
Speciali ekstruzijos kategorija yra apvali ekstruzija, naudojama tokiems daiktams kaip aliuminio skardinių ir tablečių tūbelių korpusai formuoti. Apvalios ekstruzijos metu į ruošinį įspaudžiama matrica, kuri vėliau teka atgal aplink matricą ir suformuoja skardinę arba tūbelę. Išties įspūdinga, kad šiuo metodu galima formuoti skardines ir tūbeles su tokiomis plonomis, bet lygiomis sienelėmis.
Besiūliai vamzdžiai taip pat gaminami ekstruzijos būdu. Tvirtas ruošinys kaitinamas ir praduriamas viduryje. Tada jis uždedamas ant įtvaro ir ekstruzijos būdu suteikiamas galutinis dydis ir sienelės storis.
Kalimo Kalimo procesas, kurio metu įkaitusio metalo gabalas, dažnai iki raudonumo, pramoniniu plaktuku daužomas į galutinę formą, po to atliekant tik nedideles mechaninio apdirbimo (pjovimo) operacijas. Geras gaminio, kuris paprastai gaminamas kalimo būdu, pavyzdys yra veržliaraktis. Plaktukas gali būti mechaniškai varomas abiem kryptimis arba gali būti mechaniškai keliamas ir numetamas gravitacijos būdu („kraštinis kalimas“).
Geležinkelio traukinių ratų plieninių padangų kalimas. Nuotrauka: Raineris Halama, 19, birželio 2010, BK BY-SA 3.0 per Wikimedia Commons.
Kalimas yra tiesioginis senesnių kalvystės technikų, tokių kaip mokume-gane ir Damasko kalvystė, pramoninis palikuonis. Jis turi panašų poveikį – stiklinės priemaišos ir dujų burbuliukai išsisklaido ir užsidaro, o dideli kristalai arba „grūdeliai“, kurie paprastai randami lieto metalo viduje – panašiai kaip cinkuotos geležinės tvoros blizgučiai, kurie patys yra metalo kristalų rūšis – yra suardomi ir pakeičiami mažesniais, o daugeliu atvejų ir deformuojami galutinės formos išorinių išlinkių kryptimi.
Kaip ir galima tikėtis, smulkiagrūdė struktūra yra pranašesnė už stambiagrūdę; o smulkiagrūdė struktūra, kurioje grūdeliai taip pat atitinka gaminio formą, dar labiau pagerina galutinio gaminio mechanines savybes, todėl daug mažesnė tikimybė, kad gaminys įtrūks kampe esant didelėms apkrovoms, nei kitaip.
Svetainėje yra labai gera formą sekančių kristalų iliustracija. dropforging.netEsminis panašumas į ankstesnių laikų labiausiai įgudusių kalvių gaminius yra akivaizdus, išskyrus tai, kad šiuo atveju rezultatas yra pramoninis gaminys, o ne kardas.
Daugelis „rimčiausių“ mechaninių gaminių, kurie atlaiko dideles apkrovas ir kurių sulūžimas turėtų rimtų ar bent jau labai nemalonių pasekmių, yra kalti. Kartu su veržliarakčiais, kurie, pagaminti kitu būdu, gali lūžti didžiausio įtempimo vietose, šalia veržlės, prie kaltinių gaminių priskiriami variklių alkūniniai velenai ir švaistikliai, jungiantys stūmoklius su alkūniniu velenu, nors patys stūmokliai paprastai yra liejami. (Tačiau kalti stūmokliai naudojami lenktyniniuose varikliuose ir tampa vis populiaresni visuotinai).
Yra du pagrindiniai kalimo tipai: atviras kalimas ir uždaras kalimas. Atviras kalimas suteikia metalui grubią formą ir pagerina jo bendrą vidinę struktūrą, tačiau nesuteikia jokios konkrečiai apibrėžtos formos ar tekstūros. Uždaras kalimas sukuria konkretesnes formas ir tekstūrą.
_14-n.PNG){kind=link}
