История развития ковки и горячей объёмной штамповки

1 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КОВКИ И ГОРЯЧЕЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ Ковка является самым старым видом обработки металлов давлением и считается одним из древнейших ремёсел. Первые примеры изделий из золота, изготовленные ковкой, имеют возраст порядка 8000 лет. Позднее начали обрабатывать серебро и медь. Первые металлические орудия труда изготавливали из меди (медный век). Это связано с тем, что источники меди имели открытый характер, то есть её было легко добывать. Кроме того медь является мягким металлом, который хорошо поддаётся обработке. Однако, вместе с этим медь имеет низкую прочность и твёрдость. Поиски путей повышения прочности изделий привели к открытию бронзы (сплава меди с оловом). С течением времени в бронзу кроме олова также стали добавлять и другие элементы. С развитием цивилизации и ростом объёмов производства открытых источников меди стало не хватать. Поэтому люди начали обращать внимание на железо, которого было значительно больше, но его изготовление из руды и дальнейшая обработка значительно сложнее. Хронологически именно с железного века начинают историю кузнечного дела. То есть кузнечное дело на протяжении длительного времени было основным способом обработки металлов для создания различных орудий. Развитие кузнечного дела было тесно связано с наличием топлива и его видом, а также типа руды. Это можно объяснить тем, что в различных местах содержание железа в руде различно. Долгое время основным потливом для выплавки железа был древесный уголь. Но в 18 веке на заводах уголь научились перерабатывать в кокс. Кокс получали путём сухой перегонки как результат сжигания топлива при ограниченном доступе кислорода. Это приводило к тому, что все примеси сгорали, в результате оставался практически чистый углерод в виде кокса. Кованное железо содержало меньший процент углерода, поэтому было менее прочным, чем сталь. Но оно обладало высокой пластичностью, и легко поддавалось кузнечной сварке. При этом было замечено, что железное изделие состоящее из нескольких слоёв было прочнее. Так как кузнецы использовали большое количество разных инструментов и изготавливали разнообразные изделия, они всё время искали способы изменения пластических и прочностных свойствах стали. В результате со временем были созданы способы закалки стали и регулирования содержания углерода в ней. Кроме того в сталь добавляли другие элементы. В результате появились разные сплавы и инструментальные стали. Первое оборудование для ковки в кузнечном деле стали применять только в начале 16 века. Таким оборудованием стали механические рычажные молоты с массой падающих частей 70…150 кг с приводом от водяного колеса. Следующим большим прорывом в ковке стало создание молотов приводимых в движение паром. Первые паровые молоты имели несовершенное управление и слабое использование пара. Однако, за короткий промежуток времени конструкцию молотов значительно усовершенствовали. Давление пара стали использовать не только для подъёма бабы, но и для увеличения энергии ударов. Кроме того, паровые молоты такой конструкции (двойного действия) обладали высокой быстроходностью (до 120 ударов) и получили широкое распространение. С развитием машиностроения и увеличением размера и веса поковок повышался и вес падающих частей паровых молотов. Так в Российской империи было два молота с массой падающих частей по 50 тонн (Путиловский и Пермский завод), в Германии – 75 тонн, Франции – 100 тонн, а в США – 125 тонн. С появлением гидравлических прессов допустимая для обработки масса поковок стала ещё больше. В настоящее время несмотря на простоту ковкой получают огромное количество поковок, а производи- 2 тельность процессов значительно выросла за счёт механизации путём внедрения ковочных манипуляторов. Горячая объёмная штамповка возникла из ковки. Первые элементы ГОШ известны ещё с древности, когда с помощью фигурных штампов делали венчики для стрел. Однако, как самостоятельный вид ОМД ГОШ возникла значительно позднее ковки. В России ГОШ впервые была использована на Тульском оружейном заводе в 1817 году для изготовления курков в подкладном штампе на винтовом рычажном прессе. Примерно в тоже время ГОШ стали применять на заводе в Сестрорецке для правки и проглаживания откованных вручную железных деталей. Известно, что уже 1819 году на том же Тульском оружейном заводе ГОШ в одноручьевом штампе применяли для изготовления отдельных деталей оружия. Причём для ряда деталей применяли процесс обрезки заусенцев с последующей правкой. Также как и в случае с ковкой большое влияние на развитие ГОШ оказало появление и развитие паровых молотов, а с появлением горизонтально-ковочных машин расширило её возможности ещё больше. Долгое время повышение производительности кузнечных и горячештамповочных цехов, несмотря на совершенствование оборудования, сдерживалось тем, что заводы имели отдельные цеха для производства поковок. В этих условиях производство в основном было серийным или крупносерийным, а массовый характер производства присутствовал только в отдельных случаях. Необходимость большого числа переналадок инструмента в таких условиях ограничивало возможности применения средств автоматизации и механизации. Решением проблемы стала централизация производства поковок на специальных заводах или узкая специализация цехов на отдельных заводах. Штамповкой можно обрабатывать почти все используемые в промышленности металлы и сплавы. Для труднодеформируемых и малопластичных сплавов применяют специальные способы штамповки. По мере совершенствования процесса обработки давлением стали изготавливать изделия, шероховатость поверхностей и точность размеров которых соответствуют токарной обработке. Дальнейшее развитие позволило добиться результатов аналогичных фрезированию, а затем и шлифованию, а в ряде случаев и полированию. В процессе развития ГОШ средние и крупные молоты с большой массой падающих частей стали заменять на гидравлические пресса. Это было вызвано тем, что гидравлические пресса не вызывают сотрясания зданий, в которых они установлены, а также не производят сильного шума, который утомляет рабочих. Кроме того, гидравлические пресса способны развивать очень большую силу (до 750 МН и более), что позволяет изготавливать поковки очень большой массы. В настоящее время можно говорить, что дальнейшее развитие кузнечноштамповочного производства связано не только с развитием технологических процессов, но и с дальнейшим внедрением средств механизации, автоматизации и компьютеризации всех операций производства. 3 2 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЛЯ КОВКИ И ГОРЯЧЕЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ 2.1 Виды исходного материала Для ковки и ГОШ применяют деформируемые металлы и сплавы, к числу которых относятся углеродистые, легированные и высоко легированные стали, жаропрочные сплавы, алюминий, магний, медь, титан и сплавы на их основе, а также молибден, вольфрам ниобий и др. Основным материалом для ковки и ГОШ является сталь. Каждый вид стали имеет свои особенности, которые определяют режимы их горячей деформации. Мало- и среднеуглеродистые стали, а также низко- и среднелегированные стали имеют высокий запас пластичности в широком интервале температур и допускают степень деформации при осадке до 80%. Поэтому их относят к высокопластичным металлическим материалам. Стали с высоким содержанием углерода и легирующих элементов допускают степень деформации при осадке до 60 % и их относят к материалам средней пластичности. Пластичность сталей зависит не только от содержания углерода и легирующих элементов, но и металлургической природы, которую определяют макроструктура, степень химической неоднородности, количество и форма неметаллических включений и окисных плёнок, а также газонасыщенность. Обычно заготовками для ковки и объёмной штамповки цветных металлов и сплавов служат прессованные или катанные прутки и слитки. Стальные заготовки для ковки и объёмной штамповки представляют собой слитки, сортовой прокат и блюмы. Блюмы применяют для средних по массе кованных поковок и крупных штампованных поковок. Блюмы представляют собой полупродукт металлургического производства и имеют форму поперечного сечения, которую можно вписать в квадрат со стороной 140…450мм. Длина блюма может составлять от 1 до 6 м. Рисунок – Эскиз блюма Слиток служит заготовкой для крупных поковок, масса которых измеряется тоннами, а размерами поперечного сечения не менее 390 мм для диаметра и 350 мм для стороны квадрата. Для объёмной штамповки слитки применяют редко. Слитки имеют массу от 1200 кг до 350 тонн. Для легированных сталей слитки имеют меньшую массу. Широкий конец слитка, называемый прибыльной частью, расположен в верхней части. Нижняя часть слитка называется донной или поддоном. Перед началом процесса ковки эти части отрубаются и для поковки используется только металл между прибыльной и донной частью, называемый корпусом (телом слитка). Масса прибыльной и донной части составляют соответственно 18…20% и 3…5% от общей массы слитка. Недостатками слитков как исходного материала для ковки являются неоднородность строения по сечениям, наличие литейных дефектов (усадочная пористость, трещины, газовые пузыри, неметаллические включения и т.п.), а также химическая неоднородность. 4 Рисунок – Эскиз слитка Для большинства штамповых поковок, а также мелких кованных поковок в качестве заготовок применяют сортовой прокат с круглым или квадратным поперечным сечением, а также профильный и периодический прокат и полосовые заготовки. Рисунок – Виды заготовок для объёмной штамповки (а – профильный прокат; б – периодический прокат ) 2.2 Подготовка исходных материалов Складирование, контроль и подготовка исходного материала для последующей ковки и штамповки поковок являются важными элементами производства. При формировании партии завод-поставщик сопровождает её специальным документом – сертификатом. Сертификат содержит следующую информацию: • Марка материала. • Номер плавки. • Химические и механические свойства металла. • Размеры заготовок и масса партии. • Клеймо приёмщика ОТК. Поступивший на завод металл контролируют с целью выявления внешних дефектов, проверки марки стали (высечение искры), а в случае необходимости проводят определение химического состава. Металлы для изготовления особо ответственных изделий контролируют более тщательно, для чего исследуют структуру металла, проверяют его механические свойства, проверяют на наличие внутренних дефектов. Такой контроль можно выполнять в заводской лаборатории. Выявление дефектов исходного металла является важной операцией, так как качество поковок, а следовательно, и надёжность детали напрямую связаны с качеством исходной заготовки. Например, имеющаяся на поверхности заготовки трещина при последующей обработке может быть заштампована в поковку, а изготовленная из такой поковки деталь при эксплуатации имеет повышенную вероятность разрушения именно в области заштампованной трещины. Дефекты слитка могут при обработке переходить на прокат или возникать непосредственно при обработке. К основным дефектам проката относят плены, волосовины, тещины, закаты, подрезые риски и расслоения. Обнаруженные дефекты удаляются. Обработанные места должны иметь плавные переходы, чтобы при последующей штамповке не образовывались новые дефекты. 5 2.3 Виды разделения исходного Отходы и выбор способа разделения материала на заготовки. Способы разделения на заготовки слитков и проката различаются. Слитки разделяют в процессе самой ковки, отрубая донную и прибыльную части специальным инструментом – топором. Слитки из инструментальной и высоколегированной стали обычно режут с помощью пил. Для разделения катанного металла применяют такие способы, как резка на пресс-ножницах и кривошипных прессах, резка пилами и абразивами, ломка на хладоломах, газовая резка и другие. Отрезка на пресс-ножницах Отрезка заготовок на пресс-ножницах или в штампах на прессах является основным способом изготовления исходных заготовок в кузнечных цехах в условиях средне- и крупносерийного производства. Пресс-ножницы представляют собой эксцентриковые прессы различной конструкции, с помощью которых режут прутки диаметром от 15 до 150 мм. Рисунок – Схема отрезки заготовки от прутка на пресс-ножницах (1 – заготовка; 2 – прижим; 3 – подвижный нож; 4 – регулируемый упор; 5 - неподвижный нож; 6 – рольганг) Подвижный и неподвижный ножи пресс-ножниц закреплены соответственно в гнёздах ползуна и станины пресса. Длина заготовки, отрезаемой от прутка, регулируется с помощью упора, а сама заготовка перед отрезкой фиксируется прижимом. Между ножами устанавливают зазор, величина которого варьируется от 2 до 4% от диаметра или толщины в зависимости от материала. Ножи, применяемые для отрезки, можно разделить на одноручьевые и многоручьевые. Одноручьевые ножи также имеют несколько видов конструкции: -цельные, -со сменной вставкой, -составные. Составные ножи применяют для отрезки заготовок от прутков с квадратным сечением. Ножи со сменными рабочими вставками применяют с целью экономии инструментальной стали. В этом случае нет необходимости менять весь нож. Меняется только вставка, но кроме этого эффективность таких ножей может быть повышена за счёт применения вставок из специальных материалов, например твёрдосплавных. 6 Рисунок – Виды ножей, применяемых для отрезки (а, б – цельные одноручьевые; в – составные одноручьевые; г, д, е – многоручьевые) Многоручьевые ножи могут иметь как одинаковые, так и разные по размерам и форме ручьи. Применение многоручьевых ножей позволяет повысить производительность как раз за счёт применения нескольких ручьёв. При этом нет необходимости переставлять ножи для прутков с разным сечением. Ножи изготавливают из инструментальной стали марок 5ХГТ, 5ХГМ, 4ХС, 8Х3, У10 и подвергают закалке с последующим отпуском. При отрезки принято считать нормальным наклон торцовой поверхности заготовки к её оси на угол 2…3°. В случае если зазор между ножами меньше номинального, то трещины, формируемые у кромок, заходят друг на друга. Такое явление принято считать дефектом отрезки, так как при ковке или штамповке это может привести к образованию зажимов на поверхности. Аналогичное явление имеет место и при притуплении ножей. Отрезку заготовок от прутков осуществляют как в холодном состоянии так и с подогревом. Прутки из низкоуглеродистых и низколегированных сталей со значением временного сопротивления не более 600 МПа и диаметром менее 150 мм разделяют в холодом состоянии. При отрезке от прутка из среднеуглеродистой и легированной стали проводят с нагревом до температуры 450…550 °С, так как они имеют пониженную пластичность. Кроме того, отрезку с нагревом можно применять, когда силы пресс-ножниц недостаточно для осуществления операции в холодном состоянии. В этом случае нагрев, как правило, осуществляют при диаметре заготовки более 80 мм. С целью получения более чистого реза низкоуглеродистые стали нагревают до температуры 250…300 °С. Нагрев до такой температуры обеспечивает повышение пластичности материала с одновременным уменьшением прочности, что обеспечивает более чистый срез. Для предотвращения трещинообразования и снижения силы отрезки высокоуглеродистые и легированные стали нагревают перед отрезкой до 700 °С. Нагревать материала выше указанной температуры нежелательно, так как это приводит к значительному образованию окалины, сильному искажению поверхности среза и большим вмятинам на нём. Процесс отрезки имеет высокую производительность в интервале 200…1000 шт/ч при обработке материала без нагрева. В случае применения предварительного нагрева материала производительность операции снижается примерно на 30%. В ряде случаев точность отрезки заготовок имеет существенное значение. Поэтому при изготовлении заготовок для штамповки в закрытых штампах применяют прессножницы с дозирующими устройствами. Сила отрезки заготовки от проката соответствующего профиля может быть рассчитана по зависимости: P = i ⋅ K з ⋅ σ В ⋅ Fсрез ; где i=0.6…0.9; Kз=1…1,3 – коэффициент затупления. Отрезку заготовок от прутков диаметром или толщиной менее 60 мм, проводимую в штампах, осуществляют в холодном состоянии. При этом производительность процесса выше в 3…5 раза, чем на пресс-ножницах. 7 Отрезка на пилах Отрезку заготовок для ковки и штамповки на пилах применяют, когда первой операцией технологического процесса является осадка в торец, который должен быть ровным и перпендикулярным к оси заготовки для предотвращения изгиба и обеспечения качества поверхности. Разрезка на пилах является основным способом изготовления заготовок из цветных металлом и их сплавов, так как при разрезке на пресс-ножницах возникают большие смятия торцовой поверхности и образуются трещины. Такой способ так же применяют для высоколегированных и углеродистых сталей, а также крупных профилей из конструкционных сталей. Применяют два вида пил: ленточные и дисковые. При резке ленточными пилами можно обрабатывать сразу несколько прутков. Что позволяет увеличить производительность. Операцию осуществляют в холодном состоянии с подачей охлаждающей эмульсии. Отрезка на пилах позволяет получать высокое качество торца, что очень важно для дальнейшей обработки в случае применения операции осадки или высадки. Главным недостатком операции является отход металла на пропил, толщина которого составляет 3…8 мм, в зависимости от толщины диска или ленты. Также применяют пилы с тупыми зубьями или без них – дисковые пилы трения. Отрезка заготовок на таких пилах осуществляется за счёт нажатия на заготовку при высокой скорости вращения, в результате чего материал разогревается и в месте контакта происходит оплавление. Главным недостатком пил трения является резкий шум. При разрезке высоколегированных сталей и сплавов с низкой пластичностью применяют тонкие абразивные диски. Ломка на хладноломах Ломку применяют для разделения крупных профилей из углеродистой или легированной стали, имеющих диаметр или толщину 70…250 мм. Ломку на хладноломах осуществляют на кривошипных или гидравлических прессах с применением штампов хладноломов. Рисунок – Схема ломки на хладноломах (1 – рольганг; 2 – заготовка; 3 – сухари; 4 – упор; 5 - нож) Перед ломкой с одной стороны разделяемой заготовки делают надрез газовым резаком шириной 5…8 мм и глубиной 10…15 мм. После этого надрезанную заготовку подают по рольгангу до упора. Заготовку располагают таким образом, чтобы надрез находился с противоположной стороны от неподвижного ножа. При нажатии в зоне надрезки возникает концентрация напряжений, приводящая к образованию трещины и разрушению с отделением заготовки. Торцевая поверхность после ломки получается достаточно ровной, но из-за надреза на ней остаётся ступенька, которая усложняет установку заготовки в штампе при штамповке осадкой в торец. Ломка позволяет изготавливать относительно низкие заготовки с отношением 0,8. Ломка на хладноломах обладает высокой производительностью, которая сопоставима с пресс-ножницами. Кроме того, по виду излома производят контроль качества металла. 8 Силу ломки можно рассчитать по следующим зависимостям: Для круглого сечения – Pл _ кр 3 ⋅σ В 0,4 ⋅ D заг = KЛ Cx ; Для квадратного сечения – 3 0,5 ⋅ Aзаг ⋅σ В Pлд = K Л Cx ; (по диагонали) Для квадратного сечения – 3 0,7 ⋅ Aзаг ⋅σ В Pлс = K Л Cx , (по направлению сторон) где KЛ= 0,7…1,1 – коэффициент, учитывающий характер приложения силы, форму проката и др.; Dзаг – диаметр заготовки круглого сечения; Aзаг – сторона квадратного сечения заготовки; Cx – расстояние между опорами. Газопламенная резка Газопламенная отрезка применяется для разделения прокатных штанг практически любого сечения, а также слитков диаметром до 1000 мм из низкоуглеродистой и низколегированной стали. Реализация процесса идёт следующим путём. Смесь кислорода и ацетилена подаётся через подогревательный мундштук, поджигается и направляется в исходную точку реза. Пламя, направленное на заготовку, нагревает металл, а подаваемый через центральное отверстие кислород воспламеняет металл, который, сгорая, образует оксиды в виде шлака. Шлак расправляется и в жидком виде удаляется из полости струёй кислорода. Ширина разреза составляет 4…10 мм. Рисунок – Схема газопламенной отрезки 1 – граница раздела; 2 – пламя подогрева; 3 – подогревательный мундштук; 4 – режущий мундштук; 5 – подача кислорода; 6 – заготовка; 7 – шлак; 8 - подкладка Высоколегированные и высокоуглеродистые стали разделяют кислороднофлюсовой резкой. В этом случае кроме кислорода используют так же флюс. Как правило, флюс представляет собой железной порошок, что позволяет повысить температуру. Продукты горения флюса переходят в шлаки и снижают температуру их плавления, что позволяет легко удалять жидкие шлаки струёй кислорода. Кроме ацетилена можно применять и другие виды топлива с высокой температурой горения (бензин, керосин и другие горючие газы). Однако, газопламенная отрезка имеет низкую производительность и приводит к большим потерям металла. Повысить производительность можно при использовании полуавтоматов и автоматов газопламенной резки. 9 Более эффективным способом разделения исходного материала на заготовки является плазменная резка. Такой способ позволяет повысить точность разделения материала, качество поверхности реза, а также уменьшить толщину реза и увеличить скорость процесса в 2…3 раза, по сравнению с газопламенной резкой. Принцип действия в том, что в плазматроне между электродом и заготовкой создаётся электрическая дуга. Газ, вытекающий через сопло, охлаждаемое водой и изолированное от электрода керамической прокладкой, под действием высокой температуры столба дуги превращается в струю высокотемпературной плазмы температурой 10000…20000 °К. в качестве плазмообразующих газов применяют аргоно- или азотно-водородную смесь, сжатый воздух и другие газы. Производительность процесса примерно в 10 раз выше, чем при газопламенной резке, при этом рез получается ровный и чистый, кроме того, полностью отсутствует шлак. Способ очень хорошо подходит для разделения нержавеющих и высоколегированных сталей. Рисунок – Схема устройства плазмотрона: 1 – электрическая дуга; 2 – электрод; 3 – керамическая прокладка; 4 – сопло; 5 – заготовка Для разделения исходного материала из прочных и пластичных сплавов, например никелевых, применяют анодно-механическую резку. В этом случае заготовка включена в общую цепь с генератором постоянного тока низкой частоты и является анодом, а электродом служит вращающийся диск. В пространство между анодом и катодом подают рабочую жидкость (жидкое стекло). Между диском и заготовкой возникает электрическая дуга температурой 4000…5000 °С. Расплавленный металл удаляют из зоны реза вращающимся диском и потоком рабочей жидкости. Толщина диска составляет 0,5…2,0 мм. Главным недостатком способа является низкая производительность (до 100 мм за 5,5 мин.). Также применяют электроискровую резку. В этом случае заготовка подсоедена к генератору и выполняет роль анода. Инструмент, чаще в сего в виде диска, является катодом. Инструмент и заготовка находятся в ванне с диэлектриком, генератор тока низкой частоты через резистор заряжает конденсатор, который с определённой периодичностью (сотни раз в секунду) разряжается через промежуток между заготовкой и инструментом. В результате разрядки возникает искра с температурой порядка 10 000 °С, которая вызывает плавление и испарение металла. При этом действие разряда распространяется на малую площадь. Инструмент для электроискровую резки изготавливают из меди, латуни или графита. Максимальная толщина отрезаемых заготовок мала и составляет 120 мм. другими недостатками способа являются низкая производительность и значительный расход электроэнергии, а так же низкая стойкость электродов. Несмотря на указанные недостатки, преимуществами анодно-механической и электро-искровой резки являются возможность разделения на заготовки высоколегированных 10 и высокоуглеродистых сталей, специальных сплавов, а также точность разделения и качество поверхности реза и возможность изготовления относительно низких заготовок. Ещё одним прогрессивным методом разделения исходного материала является лазерная резка. 2.4 Отходы при разделении материала хода: При разделении исходного материала на заготовки различают следующие виды от- • Концевые обрезки; • Прорезка; • Некратность; • Опорные концы. Концевые обрезки – это отход металла, возникающий при удалении дефектов на концах прутков. При разрезке в штампах и на пресс-ножницах длина концевых обрезков составляет lобр ≥ 0,5hс, где hс – высота сечения заготовки. При меньшей длине концевого обрезка на торце мерной заготовки может образоваться дефект. Прорезка – отход металла, зависящий от толщины инструмента (резца, полотна пилы, фрезы). При разрезке в штампах или на пресс-ножницах равен нулю. Некратность – отход металла, вызванный колебанием длины прутка и немерной длинной последней заготовки. Опорный конец – отход металла, равный концевому отрезку штанги, необходимому для поперечного зажима при отрезке последней заготовки. Длина опорного конца приблизительно равна (0,8…1,0)dз. Длину исходного проката выбирают исходя из фактического размера заготовки по длине принятого метода раскроя, минимальных потерь металла на отрезку, некратность и экономически целесообразного сокращения заказа различных размеров проката. 2.5 Выбор способа разделения на заготовки Выбор наиболее рационального способа разделения следует проводить с учётом вида и свойств материала, формы и размеров сечения, относительной длины заготовок требований к заготовкам и условия минимизации отхода. На выбор способа разрезки также влияет объём производства. Рациональным следует считать способ, который будет наиболее экономичен при заданном объёме производстве и обеспечит изготовление заготовок требуемого качества. Самым производительным, экономичным и малоотходным способом разделения проката на исходные заготовки является отрезка в штампах и на пресс-ножницах. Поэтому всегда, с начала, оценивают возможность применения именно этого способа. Если разрезку в штампах или пресс-ножницах применять нельзя, то рассматривают возможность использования ломки на хладноломах. Отрезку на пилах и других отрезных станках следует применять только в единичном или мелко серийном производстве. Применение отрезки на пилах в крупносерийном производстве оправдано только в случае когда к заготовкам предъявляют очень высокие требования по качеству поверхности или разрезки проката больших сечений. Отрезку абразивными дисками, газопламенную, плазменную, анодномеханическую, электро-искровую и лазерную резку применяют для разделения труднообрабатываемых сплавов и термически упрочнённых металлов. Для разделения проката сложных профилей, а также отрезки от слитков литников и прибыльной части применяют ленточные пилы. 11 3 РЕЖИМЫ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ КОВКИ И ГОРЯЧЕЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ 3.1 Выбор температуры нагрева заготовки Нагрев заготовки является одной из важнейших операций технологического процесса ковки и горячей объёмной штамповки и служит для повышения пластичности и снижения сопротивления деформированию. Правильное проведение операции нагрева в значительной степени определяет качество изготовленной поковки. Важным элементом процессов ковки и ГОШ в этой связи является температурный интервал, без знания которого разработать технологический процесс невозможно. Под температурным интервалом понимают температуру нагрева заготовки в печи и температуру окончания процесса ковки, то есть можно говорить о верхнем и нижнем пределе температуры ковки. При этом для одной и той же стали температурный интервал ковки и штамповки отличается. Причиной этого служит то, что ковку проводят за несколько ударов молота или нажатий пресса, а ГОШ осуществляют за один ход, а также различия есть в потерях тепла и эффекте деформации. Верхний предел температурного интервала соответствует температуре нагрева металла в печи, но он не совпадает с температурой начала обработки, а всегда выше. Это связано с тем, что за время переноса заготовки из печи и установки в оборудовании температура наружных слоёв металла снижается. Однако, температура внутренних слоёв массивных слитков остаётся на прежнем уровне. Нижний предел интервала ковки – это температура поверхности поковки в момент последнего хода пресса или удара молота. Температурный интервал зависит от: -химического состава материала; -структуры заготовки (литая или деформированная); -скорости, степени и вида деформации; -схемы напряжённого состояния (зависит от операции). Чем сложнее химический состав, тем меньше температурный интервал ковки. Так для стали 30 интервал ковки составляет примерно 580 °С (1280°…700 °С), а у стали 10Х17Н13М3Т он уже 310 °С (1160°…850 °С). Температурный интервал так же отличается у слитков и обработанных заготовок. При этом он может быть как уже, так и шире. При использовании в качестве оборудования молотов температурный интервал деформирования может быть ниже, чем при использовании прессов, так как сокращается время контакта заготовки с окружающей средой и инструментом. Максимальная температура нагрева заготовки зависит от требуемой степени деформации. Чем степень деформации выше, тем выше должна быть температура нагрева. Если при изготовлении поковки осуществляют более одного выноса заготовки, то температура нагрева для последнего выноса должна отличаться, так как деформация заготовки на последней операции определяет её структуру и механические свойства до и после термической обработки. Так же температура зависит от применяемой операции и вида деформации, который она формирует в заготовке. При осадке преобладают сжимающие напряжения, поэтому температуру можно выбирать ниже, а при протяжке преобладают растягивающие напряжения, поэтому температуру следует брать выше. На сохранении температуры при переносе и обработке существенно сказывается масса заготовки. С увеличением массы растёт тепловой эффект ковки, так как уменьшается отношение свободной площади к объёму заготовки, то есть снижаются потери тепла через контакт с инструментом и его выделения в окружающую среду. Кроме того, из-за увеличения работы деформирования крупных заготовок внутри их объёма растёт тепловыделение, что повышает температуру их внутренних слоёв по сравнению с малыми и средними заготовками. Повышение температуры нагрева слитков приводит к росту пластичности и ускорению диффузионных процессов, обеспечивающих однородность химического состава по 12 объёму, рекристаллизацию и устранение литейных дефектов. Это позволяет увеличивать обжатие за один ход, сокращать количество подогревов, качество поковки и производительность процесса. При выборе нижнего температурного предела ковки или ГОШ следует учитывать массу поковки. При большой массе и высокой температуре окончания ковки, измельчённое в результате деформации зерно снова начнёт расти. При малой массе поковки и низкой температуре окончания обработки в результате быстрой потери тепла измельчённое зерно может стать ещё меньше из-за возникновения наклёпа. Поэтому нижний предел температуры назначают именно с учётом возможного наклёпа. При ковке различают допустимый и рациональный интервал ковки. Допустимый интервал является универсальной характеристикой стали, которая устанавливается по результатам испытаний механических свойств и рекристаллизации металла. Рациональный интервал устанавливают с учётом конкретных условий изготовления той или иной поковки (технологический процесс изготовления, условия проведения процесса в конкретном цехе и т.д.), а также требований к механическим свойствам. Для определения температурного интервала материала проводят ряд механических испытаний образцов взятых из различных зон слитка и трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Образцы испытывают на растяжение, сжатие и ударный изгиб при различной температуре. По результатам испытаний строят диаграммы пластичности, которые отражают зависимость показателей прочности, пластичности, ударной вязкости и ковкости от температуры. По диаграммам определяют диапазон температур, который соответствует максимальной пластичности и минимальному сопротивлению деформированию с учётом допустимых отклонений на ошибку в определении температуры, перепад температур, температуру окружающей среды и т.д. По диаграммам рекристаллизации определяют диапазон температур, при котором после термической обработки прошла первичная или собирательная рекристаллизация и структура состоит из зёрен требуемого размера. Совмещая результаты по диаграммам пластичности и рекристаллизации устанавливают допустимый диапазон температур обработки. При назначении температуры нагрева следует учитывать возможность пережога, который проявляется в оплавлении границ зёрен. При пережоге ковка становиться не возможна, а сам пережог, являясь браком, не устраняется. Из-за этого верхняя граница температурного интервала должна располагаться ниже температуры пережога. Для некоторых сплавов при температуре ниже температуры пережога наблюдается интенсивный рост зерна. Такое структурное явление называется перегревом. Крупнозернистую структуру не всегда можно измельчить при ковке, поэтому механические свойства поковки остаются низкими. В связи с этим верхнюю границу следует назначать с учётом возможности пережога и перегрева. Так же важным инструментом при выборе верхней границы температуры нагрева является диаграмма состояния. Например “железо-углерод” для углеродистых сталей. При ковке крупных поковок важное значение имеет назначение температуры нагрева перед последним выносом. У крупных заготовок температура внутренних слоёв не успевает существенно измениться при переносе и во время ковки, поэтому из-за высокой температуры и малых степенях деформации, характерных для последних операций ковки, могут произойти нежелательные изменения макро и микроструктуры. Из-за этого для последних выносов выбирают более низкую температуру, по сравнению с первыми, с целью обеспечения требуемых размеров зерна. 13 3.2 Влияние ковки и штамповки на структуру и механические свойства металла Исходным материалом для обработки давлением являются слитки, имеющие дендритную структуру. Поверхностный слой стального слитка представляет собой слой мелких кристаллов. Мелкие кристаллы формируются за счёт того, что при соприкосновении с изложницей кристаллизация идёт с большой скоростью. Второй является зона столбчатых кристаллов, которые охлаждались медленнее, чем кристаллы наружного слоя, и ориентированы в направлении теплоотвода, то есть перпендикулярно стенкам изложницы. В середине слитка остывание металла идёт медленнее всего, что и способствует формированию крупных разносных кристаллов. Слитки также характеризуются неоднородностью химического состава по сечениям. При этом вредные примеси концентрируются именно в центре слитка. Рисунок – Схема строения стального слитка (1 – усадочная раковина; 2 – усадочная рыхлоть; 3 – зона мелких кристаллов; 4 – зона столбчатых кристаллов; 5 – зона равноосных дендридов; 6 – донная часть слитка) Таким образом, слиток из-за неоднородности по структуре и химическому составу, как отдельных зёрен, так и по всему объёму, а также из-за наличия пор, газовых пузырей и других дефектов обладает неравномерностью механических свойств по разным участкам. Наиболее низкими механическими свойствами обладает именно центральная часть. Из-за всего этого слиток не может служить заготовкой для изготовления изделий, поэтому для исправления дефектов его подвергают горячей обработке давлением. При деформировании поперечное сечение слитка изменяется. Изменение площади поперечного сечения принято оценивать параметром, который называется уковом и определяется по отношению площадей. При ковке литого металла по мере увеличения укова первичные кристаллы дробятся и вытягиваются в направлении наибольшей деформации. В середине слитка начинает образовываться волокнистая макроструктура, которая направлена к его периферии. Средняя часть слитка приобретает волокнистую структуры при достижении показателя укова 2…3. В центральной части волокна металла при такой степени деформации только начинают отклоняться от исходного направления. Однако уже в этом случае при деформации процесс начинает сопровождаться завариванием пузырей, трещин и пор. В результате этого металл уплотняется, а из-за ускорения протекания диффузионных процессов частично выравнивается химический состав. С повышением укова наклон столбчатых кристаллов увеличивается, но только при укове больше 10 заготовка приобретает волокнистое строение по всему сечению. полученная таким образом волокнистая структура является стойкой частично может быть устранена только при термической обработке при температуре близкой к температуре плавления. 14 В целом сами по себе операции ковки приводят в основном только к изменению направления волокон. В результате проведения ковки металл становится прочнее и пластичнее, хотя и приобретает выраженную анизотропию свойств. При этом характеристики прочности по направлениям почти не отличаются, а характеристики пластичности наиболее высокие вдоль направления ориентации волокон. И эта разница растёт с увеличением укова. Влияние горячей деформации при ковке и штамповке заключается в том, что в результате протекания процессов рекристаллизации деформированный металл приобретает мелкозернистую структуру. При перегреве структура может стать крупнозернистой. Однако, если за ковкой или штамповкой следует термическая обработка, то различий в микроструктуре не наблюдается. Из-за этого можно говорить, что ковка влияет на макроструктуру и, за редкими исключениями, не влияет на микроструктуру. Измельчить зерно в металлах не имеющих фазовых превращений с помощью термообработки не удаётся. Эту проблему решают ковкой при пониженных температурах и малых выдержках. Устанавливаемые режимы ковки следует согласовывать с диаграммами рексристализации для предотвращения критических степеней деформации, при которых может наблюдаться резкий рост зерна. Известно, что механические свойства зависят от структуры металла и разделяются на показатели прочности и пластичности. При волокнистой структуре механические свойства зависят от направления волокон, поэтому их принято оценивать по результатам испытаний образцов, вырезанных в разных направлениях. Образцы вырезают вдоль волокна (долевые), поперёк волокна (поперечные), и под углом к волокну (наклонные). Среди поперечных образцов различают тангенциальные, радиальные и промежуточные образцы. Степень деформации, которую можно оценить уковом, сравнительно мало влияет на показатели прочности, но имеет большое значение для показателей пластичности. То есть долевые образцы пластичнее, чем поперечные, а из поперечных наиболее пластичны тангенциальные. В интервале значений укова 2…6 характеристики пластичности возрастают сравнительно быстро. При 6…10-кратном укове интенсивность повышения показателей пластичности снижается, а при уковве больше 10 они практически не изменяются. Разница прочностных характеристик продольных и поперечных образцов обычно не превышает 3…6%. Для уменьшения разницы свойств металла в продольном и поперечном направлении принято проводить операции с обратным знаком деформации, например, перед протяжкой проводят осадку. Это позволяет повысить равномерность структуры. При этом следует учитывать, что осадка с большой степенью деформации вызовет необходимость повышения укова при дальнейшей обработке, что приведёт к повышению анизотропии свойств. Из-за этого оптимальной считают осадку до половины начальной высоты, так как именно такая степень деформации обеспечивает наибольшую однородность механических свойств в продольном и поперечном направлении. Механические свойства поковок зависят от многих факторов. Для достижения высоких механических свойств необходимо выбрать оптимальные условия ковки, правильную форму инструмента, обоснованно подойти к расчету количества переходов и т.д. 15 4.1 Общие сведения 4 КОВКА Ковка – один из видов горячей обработки металлов давлением, осуществляемый на прессах или молотах местным приложением деформирующих нагрузок с помощью универсального подкладного инструмента или бойков. Применяемый при ковке универсальный инструмент не создаёт интенсивного сопротивления течению металла в стороны при деформировании, в чём и заключается отличие ковки от других видов операций ОМД. Также отличительным признаком ковки можно считать обработку предварительно нагретого металла. Ковку применяют в условиях единичного и мелкосерийного производства для изготовления мелких и средних поковок, а также крупногабаритных поковок деталей ответственного назначения (турбоагрегатов, турбинных дисков, корпусов и др.) массой до 250 тонн и более. Также ковка применяется для изготовления мелких поковок, имеющих массу до 50 кг, и средних поковок массой от 50 до 400 кг. Использование для их изготовления горячей объёмной штамповки может быть нецелесообразным из-за высокой стоимости и длительности изготовления штампов. Широкое применение ковки объясняется рядом преимуществ перед другими видами процессов ОМД: 1. Кованный металл выше по качеству и пластичнее литого. 2. Ковкой можно получать поковки массой несколько сотен тонн и длинной до десятков метров (другими методами изготовление таких поковок не возможно или экономически нецелесообразно). 3. Изготовление крупногабаритных поковок не требует деформирующего оборудования очень большой мощности, так как обработка металла производится обжатиями относительно небольших участков заготовки. 4. Универсальность оборудования и инструмента резко снижает затраты при единичном и мелкосерийном производстве. Но имеется и ряд существенных недостатков: 1. Низкая производительность по сравнению с другими видами процессов ОМД. 2. Большие допуски, припуски и напуски требуют последующей механической обработки со значительным отходом металла. Сопоставление достоинств и недостатков позволяет говорить о том, что применение ковки целесообразно при единичном и мелкосерийном производстве поковок. В других случаях целесообразность применения ковки требует экономического обоснования. Качество металла изделия, производительность и экономичность процесса ковки во многом зависит от рациональности разработанной технологии, которая складывается из определения оптимальной конфигурации поковки, выбора размеров заготовки, рационального типа слитка или проката и схемы технологического процесса ковки, способа нагрева заготовки, профиля и размеров ковочного инструмента и приспособлений. Следует отметить, что различают кованные и штампованные поковки. соответственно кованные поковки изготавливают ковкой, а штампованные горячей объёмной штамповкой. Кованой поковкой или просто поковкой называется заготовка простой или фасонной конфигурации, полученная ковкой на молоте или прессе, и предназначенная для последующей механической обработки. В качестве универсальных машин применяют пресса и молоты. Крупные слитки куют преимущественно на гидравлических и парогидравлических прессах, а мелкие слитки (до 3 тонн) и прокат на пневматических и паровоздушных молотах Все операции ковки подразделяются на: -предварительные; -основные 16 -вспомогательные; -отделочные. К предварительным операциям относят ковку цапфы под патрон, обкатку, отрубку, надрубку, разрубку. Основными операциями считают осадку, прошивку, протяжку, раскатку, разгонку, передачу, гибку. В перечень вспомогательных операций входят сбивка углов, скручивание, кузнечная сварка. Отделочные операции – это обрезка, проглаживание, правка, калибровка, клеймение. 4.2 Предварительные операции ковки Обычно изготовление поковки начинают с ковки цапфы под патрон, которая служит для удержания слитка или полуфабриката поковки при ковке. Цапфу отковывают из прибыльной части слитка или реже из донной. Конечный размер цапфы должны быть такими, чтобы на неё можно было надеть патрон. Рисунок – Эскиз слитка после ковки односторонней (а) и двухсторонней (б) цапфы и диаграмма для выбора диаметра цапфы (1 – цапфа изгибается; 2 – цапфа не изгибается) Патрон является частью оснастки, предназначенной для перемещения и поворота слитка и полуфабриката поковки как на операциях, так и между ними. Частями конструкции патрона является труба большого диаметра для крепления цапфы, труба меньшего диаметра с противовесом на противоположном конце. При этом противовес выбирают таким образом, чтобы ось системы всегда была в горизонтальном направлении. Патронпротивовес подвешивают к кантователю на крюке мостового крана. Рисунок – Эскиз патрона для ковки (1 – головка; 2 – штанга; 3 – противовес; 4 – кольцо; 5 – болт стопорный) Длина цапфы, как правило, составляет 1,5…2,0 её диаметра. При большей длине цапфы излишек металла отрубают. Диаметр цапфы выбирают в зависимости от массы слитка по соответствующим номограммам. Круглая форма цапфы удобна для надевания на неё патрона. Такую форму получают за счёт применения бойков для обкатки. Обкатка – операция придание заготовке цилиндрической формы за счёт деформирования чередующегося с поворотом заготовки вокруг своей оси. 17 Рисунок – Форма слитка до и после обкатки При обкатке сглаживаются ребра и устраняется конусность слитка, а также повышается пластичность поверхностного слоя металла и завариваются подкорковые пузыри. Обкатку применяют для обработки слитков из высоколегированных сталей, а также слитков из всех марок стали с плохим качеством поверхности. На практике при ковке слитков из углеродистых и среднелегированных сталей обкатку не применяют. Обкатку проводят небольшими обжатиями с уковом 1,1…1,2. В этом случае за исходные размеры слитка принимают расстояние между диаметрально противоположными впадинами на наружной поверхности его нижней части. В случае если длина слитка после обкатки превышает нормальную, то есть Lоб > 2,5Dоб, то допускается производить обкатку при сохранении конусности. При изготовлении из слитка предельно тяжёлых и длинных поковок с использованием двух кранов и патронов или при изготовлении двух сплошных поковок, отковывают две цапфы. Для выполнения обкатки используют комбинированные бойки. Обкатку проводят за несколько проходов. На первом проходе обжимают рёбра слитка. На втором – грани слитка. Последующие проходы допускается выполнять с увеличением обжатий. Величину обжатия при обкатке назначают тем меньше, чем меньше диаметр слитка. В зависимости от массы слитка или заготовки, размеров и формы их поперечного сечения, а также применяемого оборудования применяют различные виды разрубки или отрубки. Рисунок – Схемы отрубки (разрубки) заготовки от обработанного слитка (а – круглого сечения в вырезных бойках; б – прямоугольного сечения на плоских бойках без перемычки; в – прямоугольного сечения на плоских бойках с односторонней перемычкой; г – прямоугольного сечения на плоских бойках с двусторонней перемычкой.) Отрубку или разрубку поковок круглого сечения при ковке в комбинированных или вырезных бойках производят за три хода. На первом ходе топор устанавливают на середине бойка и внедряют в заготовку на глубину больше радиуса поковки (за центром). 18 После этого производят кантовку на 120° и производят второй ход по аналогии с первым. На третьем ходе оставшийся участок отделяют коротким трапецеидальным топором. Если операция проводится в вырезных бойках, то применяют специальные топоры или накладки. При разделении на молотах без перемычки с двух сторон заготовку сначала надрубают до приблизительно половины её высоты, после чего заготовку кантуют на 180°. Далее лёгкими нажатиями или ударами заготовку выравнивают, и устанавливают топор напротив ранее проделанного углубления и выполняют разрубку. Оставшийся на торце заусенец удаляют квадратом или односторонним топором в зависимости от его размера. При разрубке заготовки с перемычкой с одной стороны применяют двухсторонний топор, который внедряют в заготовку почти на всю высоту. После этого топор извлекают, а под надрубленный участок заготовки устанавливают квадрат и ударом заготовки разделяют заготовку. Ещё одним вариантом является кантовка заготовки после надрубки и установка квадрата сверху над надрубленной частью, после чего наносят удар и разделяют заготовку. Применяют также разрубку на молоте с перемычками с двух сторон, при которой заготовку поочерёдно надрубают с двух противоположных сторон, оставляя небольшую перемычку. После этого топор вынимают и переворачивают обухом вниз и ударяют по лезвию, прорубая перемычку. Прямоугольные заготовки, у которых размер большой стороны сечения больше длины топора, надрубают с четырёх сторон. При этом сначала надрубку проводят с меньших сторон. Перемычку также удаляют, поворачивая топор обухом вниз. При этом следует иметь ввиду, что при разрубке с перемычкой, во всех случаях заусенца на торце не образуется. Разрубку заготовок с круглыми и многогранными поперечными сечениями осуществляют на прессах с укладкой в нижний вырезной боёк с трёх сторон, или с одной стороны при смещении нижнего бойка. При разрубке с трёх сторон первый надруб осуществляют на глубину около 0,4 от диаметра заготовки. После надруба осуществляют кантовку заготовку на 120° и производят аналогичную надрубку. Окончательное разделение осуществляют трапецеидальным топором со скругленными углами, что предотвращает образование вмятин на нижнем вырезном бойке. Разрубку с одной стороны при смещении нижнего бойка применяют для отделения от заготовки участка небольшой длины, например донной части после обкатки. Рисунок – Схема разрубки на молоте со смещением бойка (1 – верхний боёк; 2 – топор; 3 – слиток после обкатки; 4 – нижний боёк) При разрубке крупных заготовок на прессах рекомендуют применять топор с противовесом. Применение противовеса позволяет сохранять горизонтальное положение топора в процессе рубки. 19 4.3 Основные операции ковки 4.3.1 Осадка Осадка – это операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади её поперечного сечения. Осадку применяют для решения следующих задач: • получения поковки или ее части с поперечным сечением большим, чем сечение заготовки или слитка; • выравнивания торцовой поверхности заготовки и увеличения поперечного сечения перед операцией прошивки; • уменьшение неравномерности механических свойств в осевом и поперечном направлении слитка или заготовки перед протяжкой; • повышения итогового укова в случае если площадь исходного поперечного сечения заготовки не обеспечивает требуемое значение укова; • в комбинации с операцией протяжка для изготовления деталей типа шестерён дисков и др.; • повышения механических свойств в тангенциальном и радиальном направлении; • совместно с операцией протяжка для равномерного распределения и измельчения карбидов в сталях карбидного класса (быстрорежущие, высокохромистые), что повышает износостойкость. При применении операции осадки для увеличения укова и уменьшения анизотропии механических свойств, следует учитывать, что уков положительно влияет до определенного предела, а улучшение механических свойств в поперечном направлении приводит к их снижению в осевом направлении. Рисунок – Заготовка и полуфабрикат при осадке в торец При осадке бойки должны полностью перекрывать торцы заготовки от начала операции и до её завершения. При осадке в результате действия сил трения на торцах заготовка приобретает бочкообразную форму. Такому эффекту так же способствует охлаждение торцов из-за контакта с холодными бойками. На величину бочкообразования существенное влияние оказывают коэффициент трения и температура обработки. Соответственно чем, выше трение и температура, тем больше разница между максимальным диаметром заготовки и диаметром её торцевой части. Например, при осадке заготовки с диаметром 250 мм при осадке на 60% эта разница составляет 15…17 мм. При осадке на боковой поверхности заготовки возникают растягивающие тангенциальные напряжения, действие которых может привести к образованию трещин, что ограничивает максимальную степень деформации на операции. Однако, в зависимости от свойств материла предельная степень деформации может колебаться в большом диапазоне. Степень деформации при осадке 20 e = ln H заг H1 где Нзаг – высота исходной заготовки; Н1 – высота конечной заготовки. При определении размеров заготовки после операции рассчитывают средний диаметр без учёта бочкообразования из условия сохранения объёма. В зависимости от относительной высоты и характера силового воздействия цилиндрическая заготовка может принять форму: • одинарная бочкообразная; • двойная бочкообразная; • рюмкообразная. Рисунок – Виды выпучивания боковой поверхности при осадке (а – одинарная бочка; б – двойная бочка; в – рюмкообразная форма) Одинарная бочка образуется при осадке заготовок с отношением высоты к диаметру H/D ≤2,5 на прессе или молоте с большой степенью деформации за нажатие или удар. Двойная бочка образуется при осадке заготовок с отношение высоты к диаметру больше H/D >2,5. При больших степенях деформации двойная бочка переходит в одинарную. Рюмкообразная форма получается при осадке на молоте, когда деформация за каждый удар незначительна. При осадке призматической заготовки с квадратным сечением искажается форма не только вертикальных, но и горизонтальных сечений. При этом, чем больше степень деформации, тем больше искажение формы. При осадке со значительной степенью деформации поперечное сечение заготовки любой формы стремиться перейти в круг, согласно принципу наименьшего периметра. Главной причинной бочкообразования при осадке является трение, поэтому при коэффициенте трения f= 0, поперечное сечение заготовки сохраняет свою изначальную форму. Но при горячей обработке давлением f= 0,3…0,4, при этом принято считать, что коэффициент трения при использовании молота меньше, чем при использовании пресса. Основные правила осадки: 1. Осадка требует больших энергозатрат, поэтому если она присутствует в технологическом процессе изготовления поковки, то оборудование подбирают по силе осадки. Для снижения силы деформирования нагрев заготовки перед осадкой осуществляют до максимально допустимой температуры. 2. Для предотвращения искривления заготовки при проведении операции не рекомендуется применять заготовки с отношением высоты к диаметру (меньшей стороне сечения) больше 2,5. 3. Рабочий ход при осадке на молоте должен составлять не меньше 25% от полного хода падающих частей молота. 4. Торцовая поверхность заготовки перед осадкой должна быть гладкой и перпендикулярной оси. При необходимости торцы заготовки выравниваются легкими ударами или нажатиями. 5. Перед осадкой заготовку или слиток следует обкатать до цилиндрической формы. 21 6. Для снижения бочкообразования можно применять смазки, подогрев бойков или использовать прокладки из мягкой стали. 7. Осадку следует вести с учётом критической степени деформации и диаграммы рекристализации для предотвращения роста зёрен металла. Выбор пресса для осадки Выбор пресса можно произвести по расчётной силе осадки Pос: Pос = pос ⋅ Fср , где pос – удельная сила осадки, МПа; Fос = π ⋅ Dос2 .ср 4 – средняя площадь поперечно- го сечения осаженной заготовки, м2. Удельную силу осадки можно определить по зависимости Зибеля: p ос  Dос H ос2  = mσ s 1 + 0.17 − 0,33 2 H Dос ос      , где σs – сопротивление деформированию, то есть наименьшее напряжение при линейном напряжённом состоянии температурно-скоростных условиях деформирования, соответствующих монотонной или цикличной осадке на прессе, МПа. В реальных условиях температура внутри слитка выше, чем на поверхности контакта, которая служит для выбора σв. Из-за этого расчётное значение удельной силы оказывается выше. Для учёта данного факта в зависимость введён масштабный коэффициент m, который при изменении массы слитка от 0,5 т до 100 т изменяется соответственно в интервале 0,8…0,5. В условиях горячей деформации σs можно заменить временным сопротивлением разрыву σв. Выбор молота для осадки Выбор молота для осадки осуществляют по необходимой работе деформации за последний удар, так как с каждым последующим ударом контактная поверхность и сопротивление деформированию возрастают. Согласна рекомендациям степень деформации за последний удар должна составлять ε= 0,025…0,06. При этом, для крупных поковок степень деформации берут по минимальному значению, а для мелких поковок по максимальному значению. Работу деформации за последний удар можно определить по зависимости: A = pос.к ⋅ ε ⋅ Vзаг , где pос.к – удельная сила осадки в конечный момент, МПа; ε – степень деформации за последний удар молота; Vзаг – объём заготовки, м3. Работа деформации должна соответствовать энергии удара молота, которую можно определить как: W = A η уд , где ηуд≈ 0,8 – коэффициент полезного действия удара молота. Окончательно энергию удара молота можно определить по формуле σ  H 1  Dос D  Aок = в ln +  −  ⋅ Vзаг . η уд  H ос 9  H ос H  Количество ударов определяют по формуле: n= A/Wуд . 22 Для упрощения расчётов по выбору массы падающих частей молота применяют диаграммы, в которых масса падающих частей зависит от диаметра и высоты осаженной заготовки. Способы осадки Помимо основного способа осадки – осадки на плоских бойках, применяют и другие способы: • осадка с хвостовиком; • осадка в подкладных кольцах; • высадка; • осадка разгонкой. Осадку с хвостовиком применяют для изготовления крупных поковок из слитков, когда после осадки следует операция протяжки. В этом случае осадка позволяет улучшить качество металла и увеличить последующий уков. Хвостовик представляет собой цапфу, предварительно полученную обкаткой, и при осадке вставляется в отверстие нижней плиты. В дальнейшем он служит для захвата заготовки клещами манипулятора или для удержания и кантовки слитка патроном при протяжке. Рабочий торец плит для осадки представляет собой сферическую поверхность с радиусом R. Это обеспечивает лучшее центрирование слитка, а полученная таким образом выпуклость торцов исключает появление зажима при протяжке со стороны торцов. Рисунок – Схема осадки с хвостовиком (1 – верхняя плита дл осадки; 2 – заготовка (слиток с цапфой); 3 – нижняя плита для осадки; 4 – плита устанавливаемая на стол пресса) Осадка в подкладных кольцах производится по двум вариантам: -с предварительной оттяжкой хвостовиков, которые помещают в отверстия колец; -с затеканием металла в отверстия колец. Осадку с затеканием металла в отверстия колец применяют для получения изделий типа шестерён, фланцев и дисков с бобышками, когда высота бобышки мала и её оттяжка затруднена или нежелательна. При осадке в кольцах с затеканием металла в отверстия бобышки толщину кольца выбирают равной высоте бобышки, а угол отверстия назначают в интервале значений 1,5…7°. Размеры заготовок выбирают таким образом чтобы обеспечить полное формирование бобышек, поэтому выбирают заготовки с большей высотой. В случаях, когда высота бобышек не превышает 350…400 мм, используют кольца с глухим отверстием, так как тонкие кольца со сквозным отверстием не обладают достаточной прочностью. При этом диаметр колец должен превышать диаметр поковки. 23 Рисунок – Схема осадки в подкладных кольцах (а – с предварительной оттяжкой хвостовика; б – с затеканием металла в отверстие): 1 – верхний боёк; 2 – верхняя подкладная плитка; 3 – заготовка до осадки; 4 – заготовка после осадки; 5 – нижней подкладное кольцо; 6 – нижний боёк. Высадка – это осадка части заготовки. Высадку применяют для изготовления поковок с фланцем, а при реализации процесса используют те же рекомендации, что и при обычной осадке. Для получения фланцев на длинных и тяжёлых поковках высадку осуществляют с помощью подвешенной на цепи крана стальной штанги с утолщение на конце – “сокол”. Перед высадкой конец заготовки подвергают местному нагреву и нанося удары “соколом” проводят его высадку. При высадке поковок средней массы используют клиновой инструмент. Эти способы используют если заготовка не помещается в рабочее пространство между бойками молота или пресса. Рисунок – Схемы высадки (1 – верхний боёк; 2 – заготовка; 3 – полуфабрикат; 4 – подкладное кольцо; 5 – нижний боёк) а – “соколом” (1 – упор; 2 – заготовка; 3 – верхний боёк; 4 – нижний боёк; 5 – “сокол”); б – клиновым инструментом (1 – упор; 2 – заготовка; 3 – корпус оснастки; 4 – подкладная плитка; 5 – верхний боёк; 6 – клин; 7 – стол пресса) Для уменьшения высоты и увеличения диаметра уже осаженной заготовки применяют осадку разгонкой. Первоначально заготовку осаживают на молоте или прессе до максимального диаметра, который позволяет достигать мощность оборудования, а затем проводят разгонку. Операция требует значительно меньшей силы, так как резко уменьшается площадь контакта между заготовкой и инструментом. 24 Рисунок – Схема осадки разгонкой (а – пережимом; б – с помощью бойков; в – узким бойком) Разгонка Разгонка – это операция увеличения размеров заготовки или её части в плане за счёт уменьшения толщины. Операция имеет целью получение большой площади поковки при малой толщине. При разгонке металл раздаётся в ширину, а увеличение длины при этом должно быть незначительным. Процесс осуществляют бойками или раскатками. При разгонке бойками заготовку помещают вдоль большей стороны бойка, а обжатия выполняют с максимальной подачей, в результате чего в месте разгонки заготовка уменьшает свою высоту при значительном увеличении ширины. Площадь в поперечном сечении заготовки, образовавшаяся после операции называется смещённой площадью, а утраченная площадь – смещаемой. При разгонке следует помнить, что, не смотря на интенсивное уширение, удлинение всё-таки происходит, поэтому площадь поперечного сечения заготовки должна быть больше площади поперечного поковки. При этом, разгонка раскатками более эффективна, чем бойками, так как при ней в площадь поперечного сечения получаемой пластины переходит около 60% смещаемой площади поперечного сечения заготовки. преимущественное течение металла при разгонке всегда перпендикулярно продольной оси раскатки. Разгонку обычно осуществляют с одной стороны от середины к краям заготовки. полученную волнистость поверхности заготовки устраняют проглаживанием. Рисунок – Схема разгонки прямоугольной заготовки При разгонке квадратной заготовки бойками примерно 25% смещаемой площади переходит в площадь получаемого прямоугольного сечения, поэтому для определения его размеров можно применять формулу: H ⋅ B = H ⋅ A + 0.25 A( A − H ) , отсюда 25 A≥ 3H 2 А при разгонке раскатами   B  1 + 1.8 − 1 ,   H     B  1 + 15 − 1 .   H   Кроме того, разгонку также применяют для увеличения диаметров и уменьшения толщины заготовок в виде дисков. В этом случае, если ковку ведут на молоте, то подача осуществляется за счёт кругового перемещения заготовки, а если на прессе, по происходит поворот бойка с помощью поворотного механизма. A≥ H 3 4.3.2 Прошивка Прошивка – это операция образования несквозной полости в заготовке за счёт свободного вытеснения металла. Основным инструментом прошивки является сплошной конический или полый цилиндрический прошивень. Прошивка заготовки сплошным прошивнем сопровождается вытеснением металла из-под торца заготовки в стороны и формированием бочкообразной боковой поверхности. Кроме этого, за счёт того, то слои металла увлекаются в след за движением прошивня происходит утяжка металла, выраженная в том, что края нижнего торца приподнимаются над плоскостью бойка. Внедрение прошивня допускается на глубину не более 80…90% высоты заготовки. Прошивку сплошным прошивнем применяют для изготовления отверстий, диаметр которых не превышает 25…36% от площади торца заготовки. Перед прошивкой заготовку подвергают осадке для выравнивания торцов и точной установки прошивня. Заготовку помещают прибыльной стороной на нижний боёк или кольцо, а прошивень устанавливают на верхнем торце малым диаметром вниз. Сначала производят заглубление прошивня на 20…30мм. После чего прошивень извлекают, а образовавшуюся полость заполняют смазочным материалом (смесь графита с мазутом или машинным маслом; толчёный уголь; порошкообразный графит; смесь графита с коксом), который предохраняет прошивень от сваривания с заготовкой и уменьшает силу операции. Применять смазочные материала следует очень осторожно, так как при их горении возникают газы, которые стремятся вытолкнуть прошивень из полости. Поэтому верхний боёк не следует поднимать выше торца заготовки на то расстояние, на которое он углубляется в заготовку. По мере проведения операции для дальнейшего углубления на верхний торец прошивня устанавливают короткие цилиндрические надставки, диаметр которых на 20…30мм меньше диаметра большего торца прошивня. После достижения нужной толщины перемычки производят кантовку и надставки вынимают. Затем прорезным прошивнем пробивают отверстие. Получаемый отход металла называют выдрой. Одновременно с выдрой удаляется и первый прошивень. Прорезной прошивень устанавливают на заготовку широким торцом, диаметр которого меньше, чем у первого прошивня. Рисунок – Схема прошивки сплошным прошивнем (1 – верхний боёк; 2 – нижний боёк; 3 – прошивень; 4 – заготовка; 5 – надставки; 6 – пробивной прошивень) 26 Технологическую силу операции при открытой прошивке сплошным прошивнем можно рассчитать по зависимости:  µ ⋅ d пр D  π ⋅ d пр2 Pпр = + β ⋅ ln пр.1 , МН ; ⋅ σ В 1 +  4 3⋅ h d пр   где Dпр.1 – наружный диаметр заготовки после прошивки, м; dпр – диаметр прошив2 ня, м; h – толщина перемычки при прошивке, м; β = – коэффициент Лоде, учиты3 вающий влияние схемы напряжённого состояния. При прошивке заготовок небольшой высоты удаление прошивня выполняют до кантовки, применяя нажатия на заготовку кольцом или обкатку по диаметру. Рисунок – Схемы удаления прошивня из заготовок небольшой высоты Прошивку полым прошивнем применяют для изготовления отверстий больших диаметров (400…500мм) в крупных осаженных слитках массой более 25т, а также для удаления средней (ликвационной) части слитка. Такой способ прошивки также рекомендуется применять для изготовления особо ответственных поковок из легированной стали. При проведении прошивки полым прошивнем, после того как достигается предельная толщина перемычки, заготовку устанавливают на подкладное кольцо и пробивают перемычку. При этом способе, так же как при прошивке сплошным прошивнем, заготовка устанавливается прибыльной частью вниз, чтобы наиболее некачественный металл удалялся вместе с выдрой. Применение полого прошивня, по сравнению со сплошным прошивнем, значительно снижает технологическую силу, но значительно увеличивает отход. Перед прошивкой прошивень подогревают до 150°С, что предохраняет его от растрескивания. Рисунок – Схема прошивки полым прошивнем (1 – верхний боёк; 2 – нижний боёк; 3 – заготовка; 4 – надставки; 5 – прошивень; 6 – подкладные кольца; 7 – выдра) Для образования отверстия в низких заготовках, у которых отношение диаметра к высоте не превышает 3…4, применяют пробивку сплошным прошивнем на подкладном кольце. Диаметр отверстия в кольце больше диаметра прошиваемого отверстия и зависит от толщины заготовки, так как зазор между прошивнем и подкладным кольцом должен составлять 10% высоты заготовки. 27 Рисунок – Пробивка прошивнем на подкладном кольце (1 – верхний боёк; 2 – прошивень; 3 – заготовка; 4 – подкладные кольца; 5 – выдра; 6 – надставка) Заготовку устанавливают на подкладное кольцо. Затем на ней устанавливают прошивень большим диаметром вниз. А его ось располагается по оси симметрии кольца. Дальше прошивень вдавливают в заготовку до тех пор, пока выдра не провалится в отверстие окна. При этом высота прошивня и подкладных колец должна быть больше высоты заготовки. Извлечение прошивня осуществляют нажатием на заготовку кольца или обкаткой по диаметру. При таком способе искажение формы меньше, а отход металла в выдру больше, чем при прошивке полым прошивнем. При прошивке могут возникать различные дефекты: -большая утяжина в виде сильно затянутых краёв отверстия при пробивке толстой заготовки; -образование заусенцев на краях отверстия; -образование на кромках прошиваемого отверстия трещин из-за несоблюдения температурного режима. Рисунок – Схема правки после прошивки При недостаточной температуре нагрева металла заготовки, а также при её чрезмерном охлаждении по кромкам прошиваемого отверстия могут образоваться рваные края или трещины. Поэтому после прошивки заготовку правят на гладких бойках или гладких плитах с помощью легких ударов или нажатий пресса. Для правки торцов используют плоские раскатки. Боковую поверхность правят оправкой, вставленной в отверстие. Правку самого отверстия проводят с применением прошивня бочкообразной формы, который прогоняют по всей высоте отверстия. Диаметр такого прошивня должен немного превышать диаметр отверстия в заготовке, то есть производят небольшое увеличение диаметра отверстия. Прошивка на подкладной плите применяется для получения отверстия в низких заготовка (H/D=0,25…0,32). В этом случае отход металла достаточно высок и составляет: Vв = (0,70...0,75) πd 2 H заг 4 При прошивке без подкладной плиты прошивень значительно углубляется в заготовку, образуя полость. После чего, не извлекая прошивень, заготовку переворачивают и производят вырубку выдры. 28 Vв = (0,20...0,25) πd 2 H заг 4 При прошивке пустотелым прошивнем течение металла облегчается за счёт возможности перемещаться во внутрь прошивня, то есть сила операции падает. Объём металла, удаляемый в отход, определяется по зависимости: Vв = (1,10...1,15) 2 πd вн H заг 4 Где dвн – внутренний диаметр прошивня. Если перед прошивкой проводится осадка, а оборудование не меняется, то расчёт технологической силы прошивки не требуется. В ходе операции прошивки при образовании полости происходит вытеснение металла. Так как объём металла, удаляемый в отход, меньше чем объём полученного отверстия, то в ходе прошивки происходит увеличение диаметра заготовки, что необходимо учитывать в дальнейших расчётах. 4.3.3 Протяжка Протяжка – операция увеличения длины заготовки или её части за счёт уменьшения площади поперечного сечения. Операция проводится по средствам многократных обжатий с кантовкой. Протяжка преимущественно применяется как формообразующая операция, а также операция, которая способствует завариваемости внутренних дефектов (пустот) и улучшает механические свойства металла в осевом направлении заготовки. Применяют её после осадки при ковке поковок с удлинённой осью типа валов, шатунов, цилиндров, колец и других деталей и как самостоятельную формоизменяющую операцию, если после её выполнения достигают необходимого укова. Протяжку осуществляют последовательными обжатиями смежных участков заготовки с кантовкой или без неё. Рисунок – Схема изменения продольного и поперечного сечений при протяжке на плоских бойках заготовки с прямоугольным поперечным сечением При протяжке различают ходы, проходы и переходы. Под ходом понимается единичное обжатие с двух сторон заготовки, при котором происходит лишь локальная деформация её участка. Проходом называют совокупность последовательных одинаковых ходов, в результате которых осуществляется деформация части (или всей) заготовки при её плоскопараллельном, вращательном или винтовом перемещении. Переходом называется совокупность проходов, обеспечивающая получение новой конфигурации поперечного сечения заготовки на всей длине (или обрабатываемом участке заготовки). На протяжку затрачивается до 70% всего времени работы при ковке. При протяжке в результате обжатия изменяется высота ширина и длина участка заготовки, подвергаемого ковке. Поэтому различают относительное обжатие, относительное уширение и относительное удлинение. εH = ∆H ∆B ∆L ; εB = ; εL = Hn H n −1 Bn 29 В технологических расчётах при анализе процесса протяжки используют величину относительной подачи ψ и коэффициентом интенсивности уширения. L F ε (1 − ε H ) ψ = n −1 ; f = n −1 = B Bn −1 Fn εH Если при ковке удлинение отсутствует, то f= 1, а если отсутствует уширение и весь металл течёт только в длину, то f= 0. Экспериментально установлено, что на величину интенсивности уширения f в основном влияет величина относительной подачи ψ и соотношение размеров поперечного сечения Hn-1/Bn-1. При этом f почти не зависит от величины относительного обжатия εH, контактного трения, колебаний температуры и химического состава металла. Следует учитывать, что при относительно малых подачах возрастает интенсивность протяжки, но резко возрастает число переходов, из-за чего могут возникать зажимы. В тоже время, излишне большие подачи приводят к значительному уширению металла, что влечёт увеличение числа кантовок для его устранения. Опытным путём установлено, что для мелких и средних f следует брать меньше 0,5…0,7, а для крупных, когда требуется проработать поверхность, f= 0,2…0,3. Уков можно определять как на отдельных ходах, так и на проходах и переходах. Суммарный уков за несколько проходов (переход) можно определить как произведение уковов на отдельных проходах. Для определения укова на проходе следует использовать завивисимоть вида: 1 уn = 1 − ε H (1 − f ) Протяжку заготовок с прямоугольным или квадратным сечением проводят на плоских бойках по трём вариантам. Первый вариант – по винтовой линии. Заключается в том, что после каждого обжатия заготовку кантуют в одну и ту же сторону на 90˚, и после каждых четырёх обжатий осуществляют подачу заготовки. Получается, что деформирование идёт по винтовой линии. Этот способ отличается большой трудоёмкостью и его применяют только для твёрдых инструментальных сталей. Второй вариант – с кантовкой в обе стороны. В этом случае очередной переход проводят после каждого из обжатий, проведенных с двух сторон. При этом кантовку выполняют в обе стороны. Этот способ применяют главным образом для крупных поковок. Третий вариант – с кантовкой после прохода на всю длину. Протяжку выполняют без кантовки в одном и том же направлении. После выполнения прохода заготовку кантуют на 90˚ и выполняют второй проход. Способ применяют при ковке небольших и средних по массе поковок из углеродистых и легированных сталей. Рисунок – Способы протяжки заготовок с прямоугольным или квадратным сечением 30 При ковке длинных заготовок протяжку ведут от середины к торцам, а короткие подвергают ковке от одного торца до другого. Протяжку крупных поковок осуществляют с подачей от себя, а мелких с подачей на себя. Во избежание образования продольного изгиба при протяжке заготовки с прямоугольным сечением отношение высоты к ширине не должно превышать 2…2,5. Так же следует следить за тем, чтобы при протяжке не образовывались продольные и поперечные зажимы. Причиной образования продольных зажимов является большая величина коэффициента перехода, а поперечных – малая величина подачи. Рисунок – Схема образования поперечных и продольных зажимов Поковки с круглым поперечным сечением изготавливают ковкой на плоских бойках заготовок с круглым, квадратным и прямоугольным сечением. При этом, чем ниже пластичность стали, тем больше опасность появления внутренних трещин. Особую опасность это представляет при протяжке с круга на круг. Из-за этого для получения поковок высокого качества круглое сечение заготовок перековывают на квадратное со стороной 0,6…0,7 исходного диаметра. После чего производят сбивку углов и скругление сечения. Для протяжки заготовок круглого квадратного или прямоугольного сечения на круг целесообразно использовать вырезные или комбинированные бойки. Такая конструкция бойков ограничивает уширение, а интенсивность протяжки возрастает на 30…40%. В вырезных бойках получают более точную цилиндрическую форму заготовки. такие бойки применяют при первоначальном обжиме слитков, так как в этом случае обеспечивается лучшее течение металла с меньшими остаточными напряжениями. Направление силы с чётырёх сторон к осевой линии заготовки, способствует более равномерному течению металла. Деформирование на плоских и вырезных бойках существенно отличается друг от друга. При использовании плоских бойков могут возникать значительные растягивающие напряжения, при водящие к образованию трещин. Протяжка в вырезных бойках обеспечивает устранение возможности образования осевых трещин из-за отсутствия интенсивного течения металла в стороны. Кроме того, протяжка идёт боле интенсивно с большими подачами и уковом на каждом обжатии. Производительность протяжки в вырезных бойках на 20…40% выше, чем на плоских. Угол кантовки при протяжке назначают в зависимости от формы поперечного сечения и режима протяжки. При ковке заготовок с круглым поперечным сечением угол кантовки задают в пределах 60…75°, а при отделочных операциях в пределах 5…23°. Одним из отличий силовых режимов протяжки и осадки является то, что по мере обжатия площадь контактной поверхности возрастает менее интенсивно, так как часть металла выходит из контакта с бойками. Из-за этого максимальная сила деформирования достигается на первом проходе. Выбор оборудования для протяжки осуществляют либо по расчётным зависимостям. Либо по таблицам и диаграммам. При расчёте требуемой силы пресса используют зависимость:  L  Pпр = mν ⋅ σ В 1 + 0.17 n −1  ⋅ Bn −1 ⋅ Ln −1 H n −1   , 31 где Pпр – сила протяжки; m – масштабный коэффициент; ν – коэффициент, учитывающий удельную силу при изменении формы бойков (ν= 1 – для плоских, ν= 1,25 – для вырезных); Ln-1, Hn-1, Bn-1 – исходные размеры заготовки, м. Энергию удара молота для протяжки можно определить по зависимости: W = 1.15σ S   H  1  L Ln −1   ⋅ Vзаг , ln  +  − η уд   H1  8  H H n −1  Частным случаем протяжки является протяжка полой заготовки на оправке, которая представляет собой увеличение длины заготовки с отверстием обжатием по обе стороны оправки двумя бойками. При этом наружный диаметр и толщина стенки заготовки уменьшаются. Оправку вставляют в полость нагретой заготовки с небольшим зазором и удерживают при ковке с одного или двух концов на цепях крана. Зазор между оправкой и заготовкой в начале процесса принимают не только для упрощения надевания заготовки на оправку, но и для получения чистой от окалины внутренней поверхности. Его значение принимают равным 30…100 мм на сторону. При этом, чем больше диаметр оправки и толщина стенки. Тем больше значение зазора. Рисунок – Схема протяжки на оправке Если толщина стенки поковки превышает половину радиуса оправки то для предотвращения выпучивания рекомендуется применять комбинированные бойки. С этой же целью для более тонких стенок применяют вырезные бойки. Для облегчения схода поковки с оправки её рабочую часть выполняют конусной с уклоном от 1:100 до 1:150 и буртом на её толстой стороне. Размеры оправки определяются по машиностроительным нормалям, а сами отправки могут быть как сплошными, так и полыми. Полые оправки применяют при ковке крупных поковок. Полость в этом случае служит для охлаждения оправки проточной водой для предотвращения смятия оправки. Для предотвращения заклинивания поковки на оправке ковку проводят в определённой последовательности. После того как заготовка надевается на оправку и упирается в бурт сначала производят ковку торца заготовки у бурта с кантовкой и промежуточной подачей. После этого ближайший участок поковки куют до промежуточных размеров, а затем производится последовательная ковка оставшейся части заготовки. При такой последовательности концы поковки, которые охлаждаются быстрее, куют первыми, и обеспечивается наличие на большей части длины поковки зазора между оправкой и поковкой, что облегчает её снятие с оправки. Количество применяемых оправок ориентировочно можно определить по зависимости: k= 2 2 Dнар .исх − d вн .исх ( 2 2 уср Dнар .к − d вн .к ), где Dнар.исх, dнар.исх – наружный и внутренний диаметр исходной заготовки; Dнар.к, dнар.к – наружный и внутренний диаметр наименьшего сечения поковки после протяжки; уср – средний уков. 32 Во всех случаях интенсивная ковка на оправке ведётся по направлению к упорному бурту оправки, что сокращает конусность отверстия в поковке после снятия с оправки. Для извлечения оправки из отверстия поковки применяют гидравлический экстрактор. При его отсутствии с целью упрощения съёма поковки внутренний диаметр поковки увеличивают небольшими обжатиями с большой подачей. Технологическую силу пресса для выполнения протяжки на оправке можно определить как: Pпр.о = 1.05 σ S ⋅ Dнар.исх  f ⋅l  1 1 1 + S  − 3  S Dнар.исх      где l – подача; S – толщина стенки кольцевой заготовки при протяжке, м; fS - коэффициент трения. При протяжке поковок типа валов с уступами, выступами или выемками применяют пережим. Для этого заготовку размечают до требуемого по расчёту распределения металла между частями поковки. А затем по местам разметок устанавливают раскатку или пережим, по которому производят удар или надавливания. Полученное углубление называют намёткой или засечкой. Далее для увеличения намеченного углубления до требуемой высоты уступа или выемки производят пережим инструментом различной формы. При протяжке прямоугольной или квадратной заготовки на меньшее сечение сначала делают засечки с двух противоположных сторон, а затем выполняют пережим по намеченным местам. После чего заготовку кантуют и повторяют операции, а затем производят протяжку. Если при пережиме нельзя допускать перерезание волокон металла, то его выполняют инструментом с большим радиусом скругления. Рисунок – Схема пережима (а – круглой формы; б – треугольной равносторонней; в – треугольной односторонней; г – фасонный с вогнутыми краями; д – фасонный с выгнутыми краями; е – полуовальной формы). За счёт образования уступов с последующей протяжкой можно изготовить поковки типа эксцентрикового или кривошипного вала. Рисунок – Схема образования уступов с последующей протяжкой для изготовления поковок эксцентрикового и кривошипного валов 33 4.3.4 Раскатка Раскатка – это операция увеличения диаметра кольцевой заготовки за счёт уменьшения толщины стенки последовательным воздействием инструмента. Рисунок – Схема процесса раскатки на оправке: 1 – верхний боёк; 2 – оправка; 3 – опора; 4 – заготовка (поковка) Раскатку применяют как окончательную операцию при ковке раскатных колец, имеющих незначительную высоту, как заготовительную операцию при получении колец, изготавливаемых на ковочной оправке, всех пустотелых поковок (барабанов котлов, колонн для синтеза и катализа и т.д.) и для выравнивания толщины стенок. Раскатку можно представить как операцию протяжки заготовки свёрнутой в кольцо. Трудность технологического процесса раскатки состоит в том, что к моменту достижения необходимого внутреннего диаметра поковки она должна иметь заданный наружный диаметр и ширину. При раскатке нижний боёк заменятся дорном (цилиндрическая оправка с опорой на подставки). Чтобы избежать прогиба дорна зазор между поковкой и опорами не должен превышать 100…150мм. Боёк делают длинным и узким, так чтобы он перекрывал всю длину поковки. Ковку ведут с вращением заготовки вокруг оси. Малые заготовки вращают с помощью клещей, а большие с помощью цепей и мостовых кранов. Диаметр оправки подбирают по нормалям, учитывая диаметр поковки и прошитого в заготовке отверстия. При раскатке также важно учитывать уширение заготовки в результате ковки. Для крупных поковок опытным путём выведены зависимости, которые позволяют по ширине поковки определить ширину заготовки. Небольшие поковки изготавливают с применением узкого бойка и интенсивной раскатке, что позволяет свести уширение к минимуму. При раскатке для изготовления нужных размеров важно учитывать уширения заготовки. При интенсивной раскатке без значительного уширения применяют узкий боёк. При этом контур контакта имеет форму прямоугольника с большой стороной, расположенной вдоль ширины кольцевой заготовки. для крупных поковок опытным путём были установлены зависимости, с помощью которых конечной ширине кольца можно определить его начальную ширину. Для крупных изделий с большим внутренним диаметром и длинной часто комбинируют протяжку с оправкой и раскатку. В этом случае сначала полую заготовку подвергают раскатке, доводя внутренний диаметр до требуемого значения и устраняя бочкообразность. После этого протяжкой на оправке увеличивают длину до заданных размеров, одновременно калибруя внутренне отверстие по оправке. Уков при раскатке поковок определяют по зависимости: У= F0 S0 ⋅ L0 = Fк Sк ⋅ Lк (2.6) где S0 и Sк – соответственно исходная и конечная толщина стенки заготовки. В современных условиях для выполнения операции чаще всего применяют специальные раскатные машины. Такие машины снабжены набором цилиндрических валков для деформирования и центрирования заготовки на операции, а также грибовидными вал- 34 ками, которые позволяют регулировать уширение, а при необходимости и не допускать его (рисунок 2.18). Рисунок – Схема раскатки на специальных машинах (1 – ведущий вал; 2 – оснастка; 3, 4 – фиксирующие валы; 5 – поковка; 6 – грибовидный вал) Такие машины также имеют встроенные механизмы подачи воды под большим напором. С помощью чего в процессе раскатки происходит удаление окалины с поверхности заготовки. Для получения определённого укова на последней раскатной операции внутренний диаметр исходной заготовки определяют по формуле d пр = D0 (1 − У 2 ) + d 0 (1 + У 2 ) /2У (2.7) где У – заданный уков. [ ] 4.3.5 Передача Передача – это операция смещения одной части заготовки относительно другой при сохранении параллельности осей или плоскостей частей заготовки. Эту операцию применяют для изготовления таких изделий как коленчатые валы и других изделий с уступами. Обычно перед операцией производят надрубку и пережим с помощью односторонней треугольной пережимки. Основными схемами передачи являются: • на смещённых бойках пресса; • на двух подставных квадратных подкладках; • на трёх квадратных подкладках. Из-за образования утяжины размер заготовки перед передачей должен быть на 10…20% больше поковочного. После проведения операции избыточный металл разгоняют разгонкой, благодаря чему радиус утяжины сводиться к минимуму. При этом угол между вертикальной и горизонтальной плоскостями становится прямым. Рисунок – Основные схемы передачи 35 4.3.6 Гибка Гибка – это операция образования или изменения угла между частями заготовки или придания ей криволинейной формы. Гибка применяется как самостоятельная операция или в сочетании с другими для изготовления деталей типа уголков, кронштейнов, крюков, хомутов и др. Рис. 2.22 – Схема операции гибки (1 – матрица гибки; 2 – верхний боёк; 3 – пуансон гибки; 4 – заготовка) Операцию выполняют как универсальным инструментом так и с помощью специальных приспособлений. Операция гибки всегда сопровождается искажением начальной формы поперечного сечения в зоне ребра изгиба и уменьшением его площади. При этом на наружной поверхности возможно образование трещин, а на внутренней – складок. Эти явления выражены тем сильнее, чем меньше радиус закругления и больше угол изгиба. При гибки круглое поперечное сечение становится овальным, а квадратное трапецеидальным. Причиной этого является то, что волокна металла на наружной поверхности растягиваются, а на внутренней сжимаются. Между ними находится слой, который при деформации не подвергается ни растяжению, ни сжатию. Такой слой называют нейтральным, а располагается он ближе к внутренним слоям. Для исправления формы поперечного сечения применяют правку, однако, она не приводит к полному восстановлению формы, что необходимо учитывать при проектировании технологических процессов. Например, при гибке прямоугольной заготовки для предотвращения образования утяжины на ней оставляют утолщение. Длина заготовки перед гибкой может быть рассчитана следующим образом. При условии, что радиус угла , полученного при гибке, больше 0,5S0 , то длину заготовки определяют как сумму длин прямолинейных участков с добавлением по 0,25S0 на каждый изгиб. В случаях, когда необходима точная длина, к рассчитанной ранее длине прибавляют длину, которая не превышает 3S0. После гибки концы заготовки обрезают в размер. Гибку осуществляют несколькими способами: • кувалдой; • краном; • с помощью опор; • с помощью штампов. Рисунок – Схема операции гибки 36 4.4 Вспомогательные операции ковки 4.4.1 Скручивание оси. Скручивание – это операция поворота части заготовки относительно продольной Рисунок – Схема операции скручивания с закрепление конца (1 – стол пресса; 2 – болты с гайками; 3 – цепь; 4 - нижний боёк; 5 – шарнирная скоба; 6 – верхний боёк; 7 – вилка с шарниром; 8 – цепь крана) В качестве вспомогательной операции её применяют при ковке коленчатых валов и других фасонных поковок. При этом до скручивания все выступы на заготовке куют в одной плоскости, что значительно упрощает технологический процесс. Для скручивания одно колено вала зажимают в бойках пресса или молота, а другое с помощью специального приспособления или просто вилки разворачивают на требуемый угол. Для придания заготовке большого угла скручивания используют вилку с шарнирным устройством. Для предотвращения изгиба свободного конца вала, кроме зажима в бойках применяют крепление скобой, состоящей из двух шарнирно скреплённых половин. Скобу через цепи закрепляют к столу пресса. Для предотвращения образования трещин часть заготовки, подвергаемая скручиванию, должна быть равномерно нагрета до температуры 1000…1100°С и иметь одинаковые размеры сечений по длине. Из-за этого скручиваемые участки нередко подвергают точению. При изготовлении коленчатых валов угол скручивания обычно не превышает 60°. Максимальный угол скручивания, на который можно повернуть колено за один нагрев, не превышает 90°. При скручивании деформируемая часть заготовки немного укорачивается, что следует учитывать при выборе длины заготовки. При этом, следует отметить, что волокна при скручивании располагаются по винтовой линии, что повышает механические свойства в поперечном направлении. Выполняя операцию следует учитывать возможность образования трещин. После скручивания заготовку медленно охлаждают или отжигают. Технологическую силу, необходимую для проведения операции, можно рассчитать по зависимости: 3 π ⋅ dскр ⋅σ i Pскр = , 24 ⋅ lвил ⋅ cos(α скр )⋅10 где dскр – диаметр заготовки в месте кручения; σi – сопротивление деформированию металла при температуре скручивания; lвил – длина плеча вилки; αскр – угол скручивания. 4.4.2 Кузнечная сварка Кузнечная сварка – образование неразъёмного соединения под действием давления в пластическом состоянии. 37 Рисунок – Виды кузнечной сварки (а – внахлёст; б – вразруб; в – стыковое; г – врасцеп; д – в замок) Операцию, как правило, применяют при ремонтных работах для сварки низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,15…0,25%. При большем содержании углерода свариваемость металла резко ухудшается. Соединяемые торцы заготовок подготавливают к операции так, чтобы в месте сварки изделие имело утолщение, что необходимо для интенсивной ковки этого места. Площадь свариваемых концов делают несколько увеличенной и выпуклой для облегчения выжимания флюса при сварке. Температура под кузнечную сварку должна быть выше ковочной температуры (1300...1375°С). Нагрев ведут с большой скоростью, чтобы избежать перегрева металла. При охлаждения до температуры 950…1050°С место сварки посыпают флюсом для предохранения от окисления и пережога. Флюс растворяет окалину и образует вокруг нагреваемого металла защитную плёнку. После нагрева концы заготовок быстро очищают от шлака и окалины, накладывают друг на друга и ударяют по ним сначала слегка, а затем увеличивая силу удара. При этом флюс вытесняется, а металл сваривается за счёт диффузии. Для повышения качества сварки шов проковывают. 4.5 Отделочные операции ковки К отделочным операциям, проводимым после основной ковки, относят такие операции как обрезка, проглаживание, правка, калибровка и клеймение. Обрезка В кузнечном производстве операцию обрезки применяют для удаления заусенца, оставшегося на торце заготовки после отрубки или разрубки. Заусенцы на торцах поковки не оставляют, так как они мешают разметке, центровке и правильной установке поковки на стол пресса при осадке или на станок для механической обработки. Корме того, обрезку применяют и как промежуточную операцию, так как оставленные при обработке заусенцы могут быть закованы в поковку на последующих операциях, что приведёт к образованию зажимом. Проглаживание Операцию применяют для придания поковке гладкой поверхности и доведения размеров поковки до пределов, установленных допусками. Проглаживание представляет собой протяжку с малой степенью деформации при максимально возможном значении подачи. При этом, в некоторых случаях длинные стороны боков располагают вдоль оси поковки. Качество поверхности поковки будет тем выше, чем шире бойки молота или пресса. Правка Правку осуществляют либо в горячем, либо в холодном состоянии и применяют, как правило, для устранения кривизны, которая не предусмотрена чертежом поковки. Правкой также устраняют такие дефекты формы как ромбовидность, овальность, скручивание и другие. Причинами возникновения дефектов, требующих применения правки для их устранения, являются: 38 • несоблюдение прямолинейности в конце ковки; • прогибом в процессе длительного пребывания в печах при отсутствии или редкой укладке прокладок; • прогибом от неравномерного охлаждения по сечениям поковок; • коробление при термообработке из-за несовершенства процесса нагрева или охлаждения. Исправление кривизны стремятся проводить в холодном состоянии, однако это не всегда допустимо, так как такие поковки легко изменяют свою форму под действием нагрузок с противоположным знаком. Это приводит к тому, что при эксплуатации они могут изгибаться при нагрузках, которые будут меньше расчётных. Поэтому целесообразным является проведение высокотемпературного отпуск (680…700 °С) или выполнение правки в нагретом состоянии при аналогичных температурах. Из этого видно, что холодная правка является вредной для ответственных изделий, которые эксплуатируются без механической обработки. Кроме того, холодная правка может вызвать наклёп, который при последующей термической обработке может привести к образованию зон с крупным зерном, что снижает качество поковки. В холодном состоянии правят поковки из аустенитных марок стали и стали марок 10, 15, 20, 25, 35 с круглым поперечным сечением до 300 мм. поковки из остальных марок стали правят в горячем состоянии при температуре не выше 700 °С. Охлаждение поковок ведут на воздухе, но поковки в виде тонкостенных колец охлаждают в закрытых термосах. При этом на заготовках, которые подвергают правке, недопускаются заковы трещины, а поверхностные дефекты должны быть зачищены. Для правки поковок или деталей, искривление которых технологически неизбежны, применяют рихтовальные станки различных конструкций. При правке на прессах в качестве инструмента применяют правильные плиты и плоский боёк, ширина которого больше, чем бойка для ковки. Рисунок – Схема правки поковок: а – с помощью крана; б – с подкладками; в – правка боковой поверхности с оправкой, вставленной в отверстие Калибровка Примером операции является калибровка отверстия бочкообразным прошивнем, когда его прогоняют через всё отверстие. Диаметр прошивня при этом немного больше диаметра отверстия, а итоговая шероховатость зависит от качества боковой поверхности прошивня. Из-за этого прошивень для горячей калибровки шлифуют, а холодной полируют. Клеймение Клеймо наносят на торец заготовки или поковки в левом верхнем углу. Клеймо на торец поковки, изготовленной из слитка, всегда наносят со стороны прибыльной части. 39 5 ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ КОВКИ 5.1 Основной инструмент Основным инструментом, используемым при ковке на молотах и прессах, являются бойки. Они предназначены для выполнения не только основных, но и вспомогательных и отделочных операций. Комплект состоит из двух бойков, нижнего неподвижного, выполняющую роль опоры, и верхнего подвижного бойка, передающий силу оборудования. Рисунок – Форма рабочей поверхности бойков (а – универсальные; б – комбинированные; в – вырезные; г – фасонные; д – полукруглые) Универсальные бойки имеют плоскую рабочую поверхность. Их применяют для протяжки сплошных заготовок квадратного, прямоугольного и круглого сечений. Также применяют вырезные, комбинированные, полукруглые и фасонные бойки. Закрытая форма выреза способствует уменьшению уширения при ковке и росту интенсивности протяжки. Однако, необходимая сила протяжки при этом возрастает. Кроме того, в бойках с углом выреза, равным 90°, может выполнять интенсивную протяжку заготовок прямоугольного сечения. Угол при вершине в вырезных бойках может быть равен 120°. Недостатком фасонных и полукруглых бойков является то, что в них нельзя отковывать поковки с резко отличающимися размерами по диаметру, из-за чего их приходится часто менять. Размеры бойков зависят от мощности ковочного оборудования и его конструктивных особенностей. Высота бойков определяется в зависимости от нижнего и верхнего допускаемых положений бабы молота или плунжера рабочего цилиндра пресса. Верхний и нижний бойки выполняют одинаковыми по ширине. Ширина бойков увеличивается с возрастанием энергии удара молота или силы пресса. Длина нижнего плоского бойка ковочного молота обычного превышает длину верхнего плоского бойка для удобства размещения подкладного инструмента и улучшения условий правки длинных поковок. Рабочие поверхности плоских и соприкасающиеся поверхности бойков других видов должны быть строго горизонтальными и плотно прилегать друг к другу без зазора. Для предотвращения перерезания волокон в поковке, кромки рабочих поверхностей бойков скругляют на радиус, который составляет примерно 10% от ширины бойка. Нижний боёк молота имеет внизу форму «ласточкин хвост». Такая форма позволяет крепить его с помощью клина и вставного сухаря или шпонки на подушке, которая закреплена на шаботе молота. Шабот – это стальная отливка, превышающая массу падающих частей молота в 10…15 раз. Шабот служит для гашения энергии удара молота, а располагают его ниже уровня пола цеха. Способ крепления верхнего бойка к бабе молота аналогичен нижнему бойку. На прессе цельные бойки крепят соответственно к столу и подвижной траверсе болтами. Однако чаще всего бойки выполняют смежными. В таких бойках выделяют литой корпус с вырезом под крепление типа «ласточкин хвост», наделку и клин для её крепления. Наделка может быть плоской (универсальной) или иметь вырез определённой формы. В нижней части корпуса имеет основание, которое через вырезанные с боков пазы крепятся к столу или подвижной траверсе пресса болтами. 40 Рисунок – Схема крепления бойков на молоте (1, 7 – клинья; 2 – подушка; 3, 4 – нижний и верхний боёк; 5 – баба молота; 6, 8 – сухарь) Рисунок – Боёк пресса с плоской наделкой: 1 – корпус; 2 – основание корпуса; 3 – пазы для крепления к столу пресса; 4 – отверстия для транспортировки; 5 – крепёжный клин; 6 – «ласточкин хвост»; 7 – плоская наделка. При ковке на вырезных бойках нижний баёк чаще всего делают составным. В таком бойке применяют вкладыши, которые позволяют быстро изменить размер и форму выреза, а также произвести лёгкую замену при износе. а) б) Рисунок – Нижний составной вырезной боёк (а – корпус; б - вкладыш) Цельные бойки, наделки и вкладыши изготавливают кованными из сталей 50, 50Г, 40ХН, 5ХНВ и 5ХГМ в зависимостей от условий работы. После механической обработки их подвергают термической обработке до твёрдости HRC 40…45. Плиты для осадки применяют только при ковке на прессах. При ковке на молотах деформирование заготовки осуществляют ударами бабы по заготовке, которую укладывают на плоский боёк, прикреплённый к подушке шабота, которая соединена с шаботом. Осадку сплошных поковок из крупных слитков осуществляют методом осадки с хвостовиком. В этом случае нижняя плита имеет отверстие для цапфы (хвостовика). Для осадки мелких слитков применяют нижние осадочные плиты с отверстием и рычагами для кантовки на 90°. При ковке пустотелых поковок осадку выполняют на плоских плитах. В этом случае верхняя и нижняя плиты могут иметь в плане круглую или квадратную форму. 41 Рисунок – Плиты для осадки с хвостовиком Рисунок – Плиты для осадки полых слитков Топоры применяют для выполнения операций отрубки и разрубки, при этом конструкция топора зависит от его назначения. Рисунок – Виды топоров (а – двухсторонний; б – односторонний; в – трапецеидальный; г – угловой; д – фасонный; е – квадратный) Двухсторонний топор имеет сечение в виде трапеции, поэтому при разрубке торцы материала приобретают небольшой уклон. Односторонний топор имеет в сечении вид прямоугольной трапеции. Такой топор служит для отрубки концов поковки, торец поковки получается без уклона, а на отходе уклон торца получается большим. Трапецеидальный топор предназначен для разрубки круглых заготовок и слитков в нижнем вырезном и верхнем плоском бойках. При рубке таким топором возможность его соприкосновения с рабочей поверхностью нижнего вырезного бойка исключена. Для вырубных операций применяют угловые и фасонные топоры. Топоры для ковочных операций отковывают из сталей 35ХМ, 5ХНВ, 7Х3, 8Х3, 5ХГМ и 5ХНМ. Лезвия топоров подвергают закалке и отпуску на твёрдость HRC 40…45. 42 Порядок и материал изготовления ручки топора зависит от его размера. Так ручки для топоров небольших размеров куют одновременно с топором из одной заготовки. Для топоров средних размеров ручки изготавливают отдельно из прутковых заготовок сталей Ст3, стали 10 или 20, а затем крепят к топору. Крупные топоры изготавливают с быстросменными ручками или предусматривают подвесную конструкцию для крепления к траверсе пресса. Квадраты применяют для прорубки перемычек и удаления заусенцев, а также в качестве накладок при отрубке и разрубке заготовок. Прошивни служат для образования отверстий в поковках и заготовках. Для их подъёма и установки на поверхности прошивней есть углубления для штырей, полученные сверлением. Прошивни изготавливают из сталей 40Х, 50Х, 5ХГМ, 5ХНВ, а после обработки резанием закаливают и проводят отпуск до твёрдости HRC 40…45. Накладки для прошивней производят из сталей 40, 50 или 50Х с закалкой и последующим отпуском до твёрдости HB 207…229. Оправки для протяжки и раскатки изготавливают с применением механической обработки резанием из кованных заготовок из сталей 35, 40, 50, 40ХН и 5ХГМ. Оправки для раскатки выполняют в виде сплошных гладких цилиндров. В некоторых случаях на ней делают уступ для раскатки двух диаметров. Оправки для протяжки изготавливают как цельными так и полыми для охлаждения водой. Рисунок – Оправки: а – для протяжки пустотелая с муфтой; б – для раскатки цилиндрическая; в – для протяжки цилиндрическая с уступом 43 6 ЗАВЕРШАЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ КОВКИ Завершающие операции ковки также играют важную роль в изготовлении поковок высокого качества, как и предшествующие операции нагрева, подогрева и непосредственной деформации заготовок. 6.1 Охлаждение поковок Охлаждение поковок осуществляют сразу после окончания ковки. Скорость охлаждения при этом оказывает большое влияние на величину термических напряжений, которые в случае быстрого охлаждения приводят к образованию наружных трещин. При переходе через критический интервал температур возникают структурные напряжения. А у поковок из легированных сталей существует опасность поверхностной закалки при быстром охлаждении, результаты которой трудно устраняются даже после проведения отжига. В этом случае, чем выше степень легирования металла поковки и больше размеры и масса поковки, тем медленнее должно идти охлаждение. Поковки малых размеров из низкоуглеродистых и низко легированных сталей не требуют соблюдения предосторожностей при охлаждении. Существуют следующие режимы охлаждения поковок: • одиночных на воздухе; • в штабелях на воздухе; • в ящиках с песком, золой или окалиной; • в термостатах; • в колодцах без подогрева; • в подогреваемых колодцах; • вместе с печью. Поковки из углеродистой конструкционной стали диаметром до 300 мм охлаждаются на воздухе одиночно или в штабелях. При этом, чем больше диаметр поковки, тем медленнее ведут охлаждение. Для поковок из крупных слитков применяют охлаждение с печью. Поковки из легированной стали диаметром более 50 мм охлаждают в ящиках с песком или окалиной, а также в закрытом колодце, а поковки диаметром 150 мм и более требуют охлаждения вместе с печью. Поковки ответственного назначения, как правило, охлаждают по специальным режимам. В некоторых случаях для поддержания температуры поковок их собирают в термостаты-накопители, в которых поддерживают температуру 750…900 °С, после чего в нагретом состоянии передают на термическую обработку. Режимы охлаждения для различных сталей и заготовок нормализованы и содержатся в справочной литературе. Кроме того, в крупных поковках в результате неправильного выбора режима охлаждения могут встречаться дефекты микроструктуры. Режимы охлаждения могут быть достаточно сложны и многоступенчаты, но их применение оправдано с точки зрения получения бездефектной продукции. 6.2 Термическая обработка поковок Основными видами термической обработки кованных поковок являются отжиг, нормализация и высокотемпературный отпуск. Отжигом называют процесс нагрева стали до одной из температур в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе печью. В результате перекристаллизации при отжиге структура стали становится равновесной, повышается её пластичность и вязкость, снижается твёрдость и снимаются внутренние напряжения. Отжиг значительно улучшает обрабатываемость металла резанием, а также требуется для подготовки структуры к последующей термообработки, если она необходима. 44 При ковке применяют следующие виды отжига: • промежуточный; • гомогенизационный; • полный; • неполный. Промежуточный отжиг применяют в том случае, когда крупные поковки диаметром свыше 500 мм изготавливают из слитков за несколько нагревов. Этот вид отжига необходим для предохранения от образования флокенов и измельчения зерна. Гомогенизационный отжиг применяют при нагреве слитков до температуры 1200 °С для выравнивания структуры. При этом диффузионные процессы у легирующих элементов идут намного быстрее, и они распределяются по сечению более равномерно. Полный отжиг применяют для стальных поковок с содержанием углерода более 0,4%. В случаях, когда процесс ковки таких поковок заканчивается при пониженной температуре, отжиг позволяет устранить полосчатую структуру (вытянутость зёрен). А в случаях, когда ковка заканчивается при повышенной температуре отжиг приводит к измельчению зерна. При полном отжиге поковки нагревают до температуры выше точки АС3 на 30…50 °С (770…800 °С), после чего следует выдержка и медленное охлаждение. В остальных случаях поковки подвергают неполному отжигу. Нормализацией называют процесс нагрева стали до температуры выше точки АС3 на 30…50 °С, выдержки при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. Нормализация улучшает структуру стали, уменьшает внутренние напряжения, повышает механические свойства и обрабатываемость резанием. Нормализация заменяет отжиг сталей с содержанием углерода до 0,4%. Отпуском называют процесс нагрева закалённого металла до температуры ниже интервала превращений, выдержки при этой температуре и охлаждения. Высокотемпературный отпуск (650…680 °С) применяют для снижения твёрдости, повышения вязкости и пластичности поковок из некоторых марок высоколегированных сталей. Высокий отпуск, произведённый после закалки, называют улучшением и применяют для термообработки конструкционных углеродистых сталей. Время охлаждения поковок влияет на выбор количества нагревов и подогревов при ковке и позволяет производить корректировку температурного интервала ковки и штамповки. Продолжительность охлаждения определят возможную длительность процесса ковки в интервале заданных температур. Скорость охлаждения, как и скорость нагрева, зависит от массы поковки, температуры окружающей среды, теплопередачи в окружающую среду и ряда других факторов. Однако, теплопередача при ковке больше, чем при простом охлаждении на воздухе из-за плотного контакта заготовки с инструментом, поэтому скорость охлаждения при ковке ниже. 6.3 Требования к качеству Общие требования к качеству поковок установлены ГОСТ 8479-70 “Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия”. Стандарт распространяется на поковки общего назначения диаметром или толщиной до 800 мм из конструкционной углеродистой, низколегированной и легированной стали. По форме и размерам поковки должны отвечать чертежу готового изделия с припусками на механическую обработку, технологическими напусками и допусками на точность изготовления, а также напусками на пробы для контрольных испытаний. В зависимости от объёма обязательных испытаний поковки разделяют на 5 групп. Отнесение поковки к той или иной группе производит потребитель, а номер группы указывают на чертеже детали в технических требованиях. По требованию потребителя сдача поковок должна производиться с дополнительными видами испытаний, которые не предусмотрены стандартом. К дополнительным видам испытаний относят: 45 проверка на флокены; проба по Бауману; ультразвуковой и перископический контроль; определение величины остаточных напряжений и предела текучести при рабочих температурах; • анализ макро- и микроструктуры стали; • проба на изгиб; • определение величины зерна; • другие. Таблица Виды испытаний для групп поковок • • • • Группа поковок Виды испытаний I Без испытаний II Определение твёрдости III Определение твёрдости IV V 1. Испытание на растяжение. 2. Определение ударной вязкости. 3. Определение твёрдости. 1. Испытание на растяжение. 2. Определение ударной вязкости. 3. Определение твёрдости. Условия комплектования партии Поковки одной или разных марок стали Поковки одной марки стали, совместно прошедшие термическую обработку Поковки одной марки стали, совместно прошедшие термическую обработку по одинаковому режиму Поковки одной марки стали, совместно прошедшие термическую обработку Принимается индивидуально каждая плавка Сдаточные характеристики Твёрдость Твёрдость Предел текучести Относительное сужение Ударная вязкость Предел текучести Относительное сужение Ударная вязкость Поковками, которые прошли совместную обработку в проходных печах, считают поковки, последовательно загружаемые в печь без разрыва. Потребитель имеет право назначить другие сочетания сдаточных характеристик для поковок IV и V групп, вместо тех, которые указанных в таблице. Определение твёрдости поковок V-й группы допускается проводить на образцах для механических испытаний. В зависимости от требований, которые предъявляют к качеству металла, все поковки по механическим свойствам разделяют на категории прочности от КП175 до КП785. В таком обозначении число обозначает предел текучести металла поковки в МПа. Значение предела текучести получено путём проведения испытаний продольных образцов. Снижение механических свойств по результатам испытаний других образцов допускается. По согласованию потребителя и изготовителя для поковок IV и V группы могут быть назначены повышенные нормы пластических свойств и ударной вязкости по сравнению с указанными в стандарте. Поковки не должны иметь флокенов, расслоений, трещин, заковов, песочин, волосовин и других дефектов. Поковки, в которых были обнаружены данные дефекты, бракуют, а остальные заготовки партии признают годными только после индивидуального контроля. На необрабатываемых поверхностях поковок допускают отдельные местные дефекты, которые удаляют при условии сохранении размеров поковки в пределах допуска. На поверхности поковки, подлежащей обработке резанием, допускают дефекты, после удаления которых, на обработку резанием остаётся не менее 25% номинального одностороннего припуска. 46 Примеры обозначений: Поковки I группы Поковки II(III) группы с твёрдостью HB 143…179 Поковки IV(V) группы с категорией прочности КП 490 Поковки IV группы с категорией прочности КП 490, относительным сужением не менее 50%, ударной вязкостью KCU не менее 69×104 Дж/м2 Поковки IV группы с категорией прочности КП 490, временным сопротивлением разрыву σВ не менее 655 МПа, относительным удлинением δ5 не менее 14%, ударной вязкостью KCU не менее 64×104 Дж/м2 Гр. I ГОСТ 8479-90 Гр. II(III) HB 143-179 ГОСТ 8479-90 Гр. IV(V) КП 490 ГОСТ 8479-90 Гр. IV–КП 490С–ψ≥50–KCU≥69 ГОСТ 8479-90 Гр. IV–КП 490С–σВ≥655–δ≥14–KCU≥69 ГОСТ 8479-90 Каждая принятая техническим контролем партия поковок или поковка сопровождается документом о качестве, в котором указывается: 1. Наименование или товарный знак изготовителя; 2. Номер заказа; 3. Количество поковок в партии и их масса (для V группы – номер поковки); 4. Номер чертежа; 5. Марка стали и обозначение стандарта или технических условий; 6. Химический состав; 7. Номер плавки; 8. Группа поковок; 9. Категория прочности для IV и V групп или нормы твёрдости для поковок II и III групп и обозначение ГОСТ 8479-70; 10. Вид термической обработки; 11. Результаты испытаний, предусмотренные стандартом; 12. Результаты дополнительных испытаний, предусмотренных чертежом поковки или условиями заказа. В поковках могут встречаться дефекты, среди которых различают наружные и внутренние. Различают исправимый и неисправимый брак (дефекты). Брак называют исправимым, когда для его устранения требуется выполнить дополнительную работу. неисправимый брак отправляют на переплавку в качестве шихты. Брак поковок может возникнуть по двум основным причинам: • низкое качество исходного материала слитка или заготовки из проката; • несоблюдение технологического процесса изготовления поковки. Трещины возникают в поковках из-за низкого качества металла, при пережоге во время нагрева, ковке при низких температурах, неравномерном охлаждении поковок, больших обжатий при ковке. Трещины удаляют вырубкой в горячем состоянии, или зачисткой специальными шлифовальными кругами, или вырубкой пневмозубилами в холодном состоянии. Волосовины – это очень мелкие и тонкие трещины, образующиеся в процессе прокатки и ковки стали, имеющей мелкие газовые пузыри, или от слишком быстрого охлаждения поковок. Волосовины очень трудно обнаружить, визуально их можно выявить только после травления или при шлифовании, то есть на финальных операциях резания. 47 Рванины появляются, как правило, в процессе первых обжатий слитка во время ковки при низких температурах или при неправильном нагреве металла, в том числе при пережоге. Свищи (пустоты) образуются в осевой зоне при неправильных приёмах ковки круглых поковок, чаще всего при протяжке с небольшими обжатиями с круга на круг без перехода на квадратное сечение. Зажимы происходят в результате малых подач и больших обжимов при протяжке. Также иногда их можно наблюдать во время осадки при больших степенях деформации. Вмятины образуются главным образом от окалины, не удалённой с бойков и закованной при последующих обжатиях. Флокены – это внутренние трещины, возникающие в результате выделения водорода, поглощённого жидкой сталью во время выплавки. Флокены образуются при быстром олаждении поковки после ковки, особенно в поковках с крупным сечением из специальных сталей. Неметаллические включения (шлаки и песок) и следы усадочной рыхлости слитка, оставшиеся в поковках, в том случае, когда прибыльная часть слитка полностью не удалена, выявляются, как правило, при последующей механической обработке. Подобные дефекты слитков могут наблюдаться и на заготовках из проката, в особенности крупных. Поэтому слитки и прокат перед ковкой контролируют. Брак из-за несоблюдения технологического процесса изготовления поковки моет возникать из-за нарушения режимов нагрева слитка или заготовки, ковки, охлаждения и термической обработки, а также в случаях использования для ковки оборудования несоответствующей мощности и работы неисправным инструментом. При чрезмерно большой скорости нагрева в слитках и заготовках могут возникать трещины, а при длительном нагреве на них образуется толстый слой окалины, которая при ковке способствует появлению вмятин. При нагреве и подогреве слитка или сортовой заготовки следует не допускать ни только перегрева и пережога, но и следить за тем, чтобы на поверхности заготовки не возникал обезуглероженный слой, глубина которого не превышает по величине припуск на обработку резанием. Внутренние трещины, свищи и расслоения могут возникать в оковках при недостаточном прогреве сердцевины слитка или заготовки, а также из-за несоблюдения рекомендуемых величин подач при протяжке. Такие дефекты могут появиться при ковке с круга на круг и обкатке на плоских бойках круглых заготовок из сталей с низкой пластичностью. Из-за этого их следует ковать в вырезных бойках или осуществлять протяжку с переходом на квадратное сечение с последующей сбивкой углов. Также при протяжке могут возникать дефекты в виде вогнутых торцов, которые называют браком по “голенищу”. Такой вид брака возникает при малых обжатиях и подачах за ход, а также недостаточном нагреве заготовки и малой мощности ковочного оборудования. Из-за тех же причин поковка из слитка может быть не достаточно прокована, то есть иметь недостаточно раздробленную крупнозернистую структуру металла, что придаёт поковке низкие механические свойства. Кроме того, при протяжке возможно возникновение такого дефекта в виде кривизны, из-за неравномерного одностороннего нагрева слитка или заготовки, а также нарушений при осуществлении самого процесса протяжки. Те же причины ведут к смещению осевой зоны слитка, что вызывает неоднородность структуры и механических свойств. Искривление также может быть результатом неправильного охлаждения поковки. Также нарушения режима охлаждения могут вызывать образование наружных трещин и флокенов. Несоблюдение режима термической обработки поковки является причиной несоответствия механических свойств поковки требованиям ГОСТ или ТУ. 48 Ковка на молотах ФАСОННАЯ КОВКА Основными задачами ковки являются снижение количества технологических отходов и повышение точности получаемых поковок. Для решения этих задач применят специальные приспособления и подкладные штампы. В результате получают поковки сложной формы. Такой вид производства можно назвать промежуточным между ковкой и ГОШ. Поэтому в соответствии с отдельными особенностями его могут называть не только фасонной ковкой, но и штамповкой в подкладных штампах или секционной ковкой. Такая ковка экономически целесообразна в том случае, когда затраты на изготовление специальных инструментов и подкладных штампов приводят к снижению себестоимости изготовления поковки. Так, например, ТП изготовления поковки гаечного ключа состоит из операций отрубка(отрезка), протяжки, подкатки, осадка, пережима, пробивки. Исходную заготовку квадратного сечения протягивают на круг. После этого конец заготовки с помощью специального приспособления подкатывают на шар, который затем осаживают на бойках. Далее в подкладном штампе формируют головку и пуансоном пробивают перемычку. Заключительной операцией является протяжка хвостовой части и зачистка зауснцев. Рисунок – Схема переходов ТП изготовления поковки гаечного ключа: а – эскиз поковки; б – исходная заготовка; в – протяжка заготовки на круг; г – подкатка торца; д – осадка торца; е – штамповка головки и пробивка перемычки; ж – протяжка хвостовой части и зачистка Ещё одним примером может служить ТП изготовления поковки вилки, для которого используют заготовку квадратного сечения. Сначала заготовку протягивают на пластину прямоугольного сечения, а затем проводят разгонку металла под щёки. После этого щёки отковывают и загибают в специальном приспособлении. В конце ТП выполняют протяжку оставшегося конца под стержень на котором выделяют участок для изготовления проб на испытания. Излишки металла отрубают и удаляют в отход. Рисунок – Схема переходов для изготовления поковки вилки: а – эскиз поковки; б – заготовка; в – протяжка заготовки и разметка для разгонки; г – разгонка щёк; д – гибка щёк; е – разметка металла перед протяжкой; ж – протяжка стержня и отрубка излишков металла 49 Поковку зубчатого колеса сложной формы с центральным отверстием куют из мерной заготовки круглого сечения. На нагретую заготовку одевают разъёмный вкладыш, и устанавливают в корпус рабочего подкладного кольца, которое установлено на опорном кольце. После этого проводят высадку с образованием фланца. Далее заготовку и кольцо кантуют на 180°, и, убирая опорное кольцо, проводят высадку второго участка заготовки и производят прошивку с формированием перемычки. Перевернув кольцо обратно на 180°, производят пробивку перемычки вторым прошивнем. После этого поковку освобождают от вкладышей. Рисунок – Схема переходов при изготовлении поковки зубчатого колеса: а – эскиз поковки; б – исходная заготовка; в – установки заготовки с разъёмными вкладышами в рабочее кольцо; 1 – разъёмные вкладыши; 2 – корпус; 3 – опорное кольцо; г – высадка заготовки; д – кантовка, высадка и прошивка; е – пробивка перемычки Фасонной ковкой можно изготовить поковку в виде кольца с буртом небольших размеров. ТП изготовления такой поковки включает операции осадки, прошивки и раскатки. В этом случае раскатанное кольцо устанавливают в наружное кольцо-матрицу, а внутри поковки устанавливают кольцо-пуансон, которое под ударами бойка прогоняют вниз до упора в нижний боёк. В результате этого получают требуемый профиль поковки кольца. Рисунок – Схема рисунка наружного бурта на поковке типа кольца: а – исходное кольцо; б – высадка буртика; в – поковка кольца с буртиком; 1 – кольцо-матрица; 2 – кольцо-пуансон Поковки ступенчатых втулок (фланцев) можно изготовить протяжкой на оправке с применением специальной профилирующей накладки, которую также используют в качестве подставки-упора. Накладка служит для ограничения хода верхнего бойка молота при ударе по заготовке и позволяет снизить расход металла на поковку. Рисунок – Схема изготовления поковки ступенчатой втулки протяжкой заготовки на оправке: 1 – цепь крана; 2 – профилирующая накладка; 3 – крюк; 4 – штанга; 5 – ручка; 6 – опоры; 7 – оправка; 8 – заготовка; 9 – верхний боёк 50 Успешному внедрению процессов фасонной ковки способствует групповой метод изготовления поковок. который заключается а разделении деталей на классы и группы, для обработки которых требуется однотипное оборудование и инструмент, общие приспособления и одинаковые настройки и подготовка оборудования. Групповой метод позволяет перейти от единичного производства поковок к мелкосерийному, способствует более широкому применению операций штамповки, обеспечивает повышение уровня организации рабочих мест. Ковка на прессах сах. В настоящее время всё шире применяют фасонную ковку на гидравлических прес- При ковке поковок типа фланца в первом выносе нагретый слиток протягиваю на круглое сечение, отрубают донную и прибыльную части и разрубают на заготовки. На втором выносе заготовку устанавливают в рабочее кольцо и проводят высадку до полного заполнения фасонной выточки в кольце (формируют бурт). После этого в поковке прошивают отверстие, проводят правку торцов поковки и освобождают её из кольца. Рисунок – Схема изготовления поковки фланца: а – эскиз поковки; б – ковка цапфы, обкатка, протяжка, отрубка донной и прибыльной части, разрубка на заготовки; г – обработка заготовки в рабочем кольце; в – прошивка отверстия. При малой партии поковок применять рабочее кольцо сложной формы не всегда рентабельно. Поэтому поковки типа фланец с отверстием изготавливают осадкой до получения требуемых размеров по высоте и диаметру бурта, после чего, не вынимая заготовку из кольца, проводят прошивку отверстия. Рисунок – Схема изготовления поковки фланца в кольце Кроме уже приведённых схем можно применять составные подкладные штампы простой конструкции. Например, такой штамп может быть применён для изготовления поковки колеса. На первом выносе слиток подвергают ковке цапфы, обкатке и протяжке до требуемых размеров (ступенчатой формы). После этого отрубают излишки. На втором выносе заготовку устанавливают в подкладной штамп и нажатием верхнего бойка осуществляют осадку. После этого штамп разбирают и извлекаю готовую поковку. При ковке поковки крышка слиток подвергают ковке цапфы и обкатке. После этого отрубают прибыльную и донные части, проводят осадку и прошивку отверстия. После прошивки заготовку снова осаживают, после чего проводят разгонку краевого участка. Затем используя подкладное кольцо загибаю края крышки. 51 Рисунок – Схема переходов при изготовлении поковки колес: а – слиток; бковка цапфы, обкатка, протяжка и разметка под отрубку; в – отрубка отхода и протяжка на требуемый размер; г – установка заготовки в подкладной штамп; д – осадка; е - поковка Рисунок – схема переходов при изготовлении поковки крышка: а – слиток; б – ковка цапфы, обкатка и отрубка; в – осадка; г – прошивка; д – разгонка краевой части; е – гибка краевой части; ж - поковка