Выдавливание материала

Выдавливание материала — это технологический процесс пластического деформирования, при котором заготовка (обычно металлическая, полимерная или керамическая) под действием высокого давления вытесняется через формующее отверстие (матрицу), приобретая заданное поперечное сечение и длину. Процесс относится к методам обработки металлов давлением (ОМД) и широко применяется в машиностроении, металлургии, строительстве и производстве изделий из пластмасс.

История развития

Первые упоминания о выдавливании относятся к началу XIX века, когда английский инженер Джозеф Брама в 1797 году запатентовал способ производства свинцовых труб методом выдавливания через матрицу. Однако промышленное внедрение процесса началось лишь в середине XIX века с развитием гидравлических прессов. В 1820 году Томас Берр усовершенствовал технологию для производства бесшовных труб из меди и латуни. В России первые опыты по выдавливанию алюминия были проведены в 1894 году на заводе «Кольчугино» (ныне — Кольчугинский завод цветных металлов). В XX веке процесс получил массовое распространение благодаря разработке мощных гидравлических прессов и появлению новых материалов, включая титановые сплавы и высокопрочные алюминиевые композиции.

Классификация видов выдавливания

Выдавливание классифицируется по нескольким признакам: направлению течения материала, температуре обработки, типу заготовки и способу приложения силы.

По направлению течения материала

1. Прямое выдавливание — наиболее распространённый метод. Заготовка помещается в контейнер, и пуансон давит на неё, вытесняя материал через матрицу в том же направлении, что и движение пуансона. Применяется для получения прутков, труб, профилей простой формы.
2. Обратное выдавливание — матрица закреплена на пуансоне, а материал течёт в направлении, противоположном движению пуансона. Позволяет снизить усилие деформирования и улучшить качество поверхности, но ограничен по длине изделия.
3. Комбинированное выдавливание — материал течёт одновременно в нескольких направлениях (например, часть — в прямом, часть — в обратном). Используется для изготовления сложных полых изделий, таких как корпуса подшипников и втулки.
4. Боковое выдавливание — материал вытесняется через боковые отверстия матрицы, перпендикулярно оси движения пуансона. Применяется для получения деталей с отростками (тройники, крестовины).

По температурному режиму

1. Холодное выдавливание — выполняется при комнатной температуре. Обеспечивает высокую точность размеров (до 6–8 квалитета) и чистоту поверхности (Ra 1,25–0,63 мкм). Характерно для алюминиевых, медных и низкоуглеродистых сталей. Требует больших усилий (до 2000 МПа).
2. Тёплое выдавливание — проводят при температурах 200–600 °C (в зависимости от материала). Снижает усилие деформирования на 30–50 % по сравнению с холодным, сохраняя удовлетворительную точность. Применяется для легированных сталей и титановых сплавов.
3. Горячее выдавливание — осуществляется при температурах выше температуры рекристаллизации (для стали — 1100–1250 °C). Позволяет обрабатывать трудно деформируемые материалы (нержавеющие стали, жаропрочные сплавы) и получать изделия больших сечений. Недостаток — окисление поверхности и снижение точности.

По типу заготовки

1. Сплошное выдавливание — из сплошной заготовки (прутка, слитка) получают сплошные профили (прутки, уголки, швеллеры).
2. Полое выдавливание — из полой заготовки или с использованием иглы (дорна) внутри матрицы образуются трубные изделия. Различают выдавливание труб с внутренним дорном и без него (через кольцевую матрицу).

Оборудование и инструмент

Основным оборудованием для выдавливания являются гидравлические прессы. Они классифицируются по усилию (от 200 тс до 15 000 тс) и конструкции (горизонтальные — для длинных профилей, вертикальные — для мелких деталей). В состав пресса входят:

• Контейнер — цилиндрическая камера, в которую помещается заготовка. Изготавливается из жаростойких сталей.
• Пуансон — рабочий орган, передающий усилие на заготовку. Может быть цельным или составным.
• Матрица — формующий инструмент с отверстием заданного профиля. Для сложных сечений применяются сборные матрицы с несколькими вставками.
• Игла (дорн) — стержень, формирующий внутреннее отверстие в полых изделиях.

Инструмент подвергается интенсивному износу, поэтому для его изготовления используются быстрорежущие стали (Р6М5, Р18) и твёрдые сплавы (ВК8, ВК15). Срок службы матрицы при горячем выдавливании алюминия составляет 10 000–20 000 циклов, при холодном выдавливании стали — 500–2000 циклов.

Материалы для выдавливания

Выдавливанию поддаются практически все пластичные металлы и сплавы, а также термопластичные полимеры. Наиболее распространённые материалы:

Технологические параметры

Основные параметры процесса включают:

• Коэффициент вытяжки (λ) — отношение площади поперечного сечения заготовки к площади сечения изделия. Для алюминия λ достигает 100–150, для стали — 10–30.
• Усилие выдавливания — зависит от свойств материала, температуры, коэффициента трения и геометрии инструмента. Рассчитывается по формуле: \( P = p \cdot F \), где \( p \) — удельное давление (для холодного выдавливания стали — до 2500 МПа), \( F \) — площадь поперечного сечения контейнера.
• Скорость истечения — скорость выхода материала из матрицы. Для алюминия составляет 0,5–5 м/с, для стали — 0,1–0,5 м/с. Слишком высокая скорость приводит к перегреву и растрескиванию.

Применение

Выдавливание используется в различных отраслях промышленности:

• Авиационная и космическая техника — изготовление лонжеронов, шпангоутов, панелей из титановых и алюминиевых сплавов.
• Автомобилестроение — производство кузовных профилей, радиаторов, тормозных трубок, поршней (холодное выдавливание).
• Строительство — алюминиевые оконные и дверные профили, стальные трубы для водоснабжения и газопроводов, пластиковые панели.
• Электротехника — медные и алюминиевые шины, контакты, корпуса разъёмов.
• Медицина — титановые имплантаты, инструменты для хирургии.
• Производство потребительских товаров — тюбики для зубной пасты (алюминий), корпуса фломастеров, профили для мебели.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая производительность (до 100 деталей в минуту при холодном выдавливании).
• Минимальные отходы материала (коэффициент использования — до 95 %).
• Улучшение механических свойств за счёт наклёпа (при холодном выдавливании).
• Возможность получения сложных профилей, недоступных для других методов (прокатка, ковка).

Недостатки:

• Высокая стоимость инструмента (матрицы и пуансоны из твёрдых сплавов).
• Ограничения по длине изделия (при прямом выдавливании — до 12 м, при обратном — до 3 м).
• Необходимость мощного прессового оборудования.
• Образование окалины при горячем выдавливании (требуется последующая механическая обработка).

Интересные факты

• Самое длинное изделие, полученное методом выдавливания — алюминиевая труба длиной 18 м, изготовленная на прессе усилием 3500 тс в Норвегии.
• В СССР в 1960-х годах разработана технология гидроэкструзии — выдавливания с использованием жидкости высокого давления (до 1500 МПа), позволяющая обрабатывать хрупкие материалы (вольфрам, молибден).
• Холодное выдавливание стали впервые применено в России в 1930-х годах на заводе «Серп и молот» (Москва) для производства болтов и заклёпок.
• В современной промышленности до 70 % всех алюминиевых профилей в мире производится методом горячего выдавливания.

Источники

1. Ковка и штамповка: справочник в 4 т. / под ред. Е. И. Семёнова. — М.: Машиностроение, 1985–1987.
2. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1977.
3. Технология конструкционных материалов / под ред. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 2003.
4. Обработка металлов давлением: учебник для вузов / Г. А. Смирнов-Аляев, В. П. Чистяков. — М.: Металлургия, 1970.
5. ГОСТ 18978-73 «Выдавливание металлов. Термины и определения».