Прямое выдавливание

Прямое выдавливание — это технологический процесс пластического деформирования металлов и других материалов, при котором заготовка, помещённая в замкнутую полость контейнера, под действием сжимающих усилий вытесняется через отверстие матрицы, имеющее форму и размеры поперечного сечения готового изделия. В отличие от обратного выдавливания, при прямом методе пуансон (или пресс-штемпель) движется в том же направлении, что и вытекающий металл, что приводит к возникновению сил трения между заготовкой и стенками контейнера. Прямое выдавливание является одним из наиболее распространённых способов получения профилей, прутков, труб и других длинномерных изделий с постоянным поперечным сечением из алюминиевых, медных, титановых, стальных и других сплавов.

История

Основы технологии выдавливания металлов были заложены в начале XIX века. Первый патент на процесс прессования свинцовых труб был получен в 1797 году английским изобретателем Джозефом Брамой. Однако промышленное применение прямого выдавливания началось в середине XIX века, когда были разработаны гидравлические прессы, способные создавать необходимые усилия. В 1820 году Томас Берр запатентовал способ изготовления свинцовых труб методом прямого выдавливания. В 1870 году французский инженер Жак Шарль Эмиль де Лонг разработал первый горизонтальный гидравлический пресс для выдавливания цветных металлов.

В России первые прессы для прямого выдавливания появились в конце XIX века на заводах по производству свинцовых труб и кабельной продукции. Массовое внедрение технологии в промышленность СССР пришлось на 1930-е годы, когда были построены крупные алюминиевые заводы и заводы по обработке цветных металлов. В 1950-х годах началось применение прямого выдавливания для получения профилей из титановых сплавов, используемых в авиационной и ракетной технике. К концу XX века технология была автоматизирована, а современные гидравлические прессы позволяют выдавливать изделия сложной геометрии с высокой точностью.

Принцип процесса

Процесс прямого выдавливания осуществляется в несколько этапов. Цилиндрическая заготовка (слиток) нагревается до температуры, обеспечивающей необходимую пластичность материала, и помещается в контейнер пресса. Контейнер представляет собой толстостенную стальную гильзу, внутренняя поверхность которой обычно смазывается для снижения трения. С одной стороны контейнера устанавливается матрица с отверстием требуемого профиля, с другой — пуансон (пресс-штемпель), соединённый с главным цилиндром гидравлического пресса.

При движении пуансона вперёд он оказывает давление на заготовку. Металл, находясь в условиях всестороннего сжатия, начинает течь в направлении, противоположном движению пуансона, и заполняет полость матрицы. После выхода из матрицы изделие приобретает форму её канала. В процессе выдавливания пуансон проходит весь путь до тех пор, пока в контейнере не останется небольшой остаток металла (пресс-остаток), который затем удаляется. Время цикла зависит от размеров заготовки, температуры и свойств материала.

Классификация видов прямого выдавливания

Прямое выдавливание классифицируется по нескольким признакам, включая температурный режим, направление течения металла и конструкцию инструмента.

По температурному режиму

• Горячее прямое выдавливание — проводится при температурах выше температуры рекристаллизации материала (для алюминиевых сплавов 350–500 °C, для сталей 1000–1250 °C). Применяется для получения профилей, прутков и труб из труднодеформируемых сплавов. Обеспечивает высокую пластичность и снижение усилий деформирования.
• Тёплое прямое выдавливание — осуществляется при температурах ниже рекристаллизации, но выше комнатной (обычно 200–600 °C). Используется для получения изделий с улучшенными механическими свойствами и повышенной точностью размеров.
• Холодное прямое выдавливание — проводится при комнатной температуре. Применяется для мягких металлов (свинец, олово, алюминий, медь) и некоторых сплавов. Позволяет получать изделия с высокой точностью и чистотой поверхности без последующей механической обработки.

По направлению течения металла

• Прямое выдавливание сплошных профилей — металл вытекает через матрицу в виде сплошного прутка или профиля. Используется для изготовления прутков, уголков, швеллеров, двутавров и других фасонных профилей.
• Прямое выдавливание труб — процесс осуществляется с использованием иглы (дорна), которая фиксируется в матрице и формирует внутреннее отверстие трубы. Металл вытекает через кольцевой зазор между матрицей и иглой.
• Прямое выдавливание полых профилей — комбинированный метод, при котором через матрицу с несколькими отверстиями или с использованием сложной конфигурации дорна получают профили с внутренними полостями сложной формы.

По конструкции инструмента

• С плоской матрицей — матрица имеет плоскую рабочую поверхность с одним или несколькими отверстиями. Применяется для простых профилей.
• С конической матрицей — матрица имеет коническую входную часть, что облегчает течение металла и снижает усилие выдавливания. Используется для сложных профилей и труднодеформируемых сплавов.
• С составной матрицей — матрица состоит из нескольких частей, что позволяет изготавливать изделия с поднутрениями и сложной геометрией.

Оборудование

Основным оборудованием для прямого выдавливания являются гидравлические прессы. Они классифицируются по усилию (от 500 тонн до 50 000 тонн и более), по типу привода (насосно-аккумуляторный, насосный, мультипликаторный) и по расположению (горизонтальные и вертикальные). Наибольшее распространение получили горизонтальные гидравлические прессы, так как они позволяют обрабатывать длинные заготовки и обеспечивают удобство автоматизации.

Современные прессы оснащаются системами управления на основе программируемых логических контроллеров, которые регулируют скорость движения пуансона, температуру нагрева заготовки и усилие деформирования. Для нагрева заготовок используются индукционные печи, газовые печи или электрические печи сопротивления. Вспомогательное оборудование включает в себя устройства для подачи заготовок, приёмные столы, системы охлаждения и резки профиля на мерные длины.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность: возможность получения длинномерных изделий (до 50 м и более) за один цикл.
• Широкий диапазон форм и размеров: от простых прутков до сложных фасонных профилей с тонкими стенками.
• Высокое качество поверхности: отсутствие окалины и заусенцев при холодном и тёплом выдавливании.
• Экономия материала: коэффициент использования металла может достигать 90–95% при оптимальной конструкции.
• Возможность обработки труднодеформируемых сплавов (титановые, жаропрочные стали).

Недостатки

• Высокое усилие деформирования: требуется мощное и дорогостоящее оборудование.
• Неравномерность механических свойств по длине изделия: из-за изменения температуры и сил трения в начале и конце процесса.
• Износ инструмента: матрицы и пуансоны подвергаются интенсивному абразивному и термическому воздействию, что требует их регулярной замены.
• Наличие пресс-остатка: часть металла (10–15%) остаётся в контейнере и не используется, что снижает выход годного.
• Ограниченная длина заготовки: из-за прочности пуансона и устойчивости контейнера.

Применение

Прямое выдавливание широко используется в различных отраслях промышленности. В авиастроении и космической технике из алюминиевых и титановых сплавов изготавливают лонжероны, шпангоуты, панели обшивки, элементы шасси. В автомобилестроении — детали кузова, радиаторы, поршни, тормозные трубки. В строительстве — оконные и дверные профили, фасадные системы, несущие конструкции. В электротехнике — шины, контакты, корпуса приборов. В машиностроении — валы, оси, втулки, гидроцилиндры. В производстве труб — водопроводные, газовые, нефтяные трубы, а также трубы для теплообменников.

Перспективы развития

Современные направления развития прямого выдавливания включают создание прессов с усилием свыше 100 000 тонн для получения крупногабаритных профилей, разработку новых смазочных материалов для снижения трения, внедрение систем компьютерного моделирования для оптимизации процесса, а также использование роботизированных комплексов для автоматизации подачи заготовок и удаления готовых изделий. В России ведутся работы по созданию прессов для выдавливания профилей из алюминиевых сплавов с высокой прочностью, используемых в авиастроении, в том числе на предприятиях Объединённой авиастроительной корпорации и в рамках проектов, связанных с импортозамещением в авиационной промышленности.

Источники

• ГОСТ 18970-84. Обработка металлов давлением. Операции ковки и штамповки. Термины и определения.
• Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1977.
• Громов Н.П. Технология обработки металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1980.
• Ковка и штамповка: справочник в 4 томах / под ред. Е.И. Семёнова. — М.: Машиностроение, 1987.
• Технология процессов обработки металлов давлением: учебник для вузов / под ред. В.А. Головина. — М.: Машиностроение, 2004.
• Материалы научно-технических конференций по обработке металлов давлением (Москва, 2010–2023).