Специальная ковка

Вид материала

Документы

Содержание Rg) h'B = Rg/sin Rl/Ri ( tg sin) l/cos-I-. При p = 90 -120° Кпр = Рельефный инструмент. Ступенчатые бойки. Опыт ковки крупных слитков

Подобный материал:

• Художественная ковка металла становится все более модной и популярной, 61.01kb.
• Направления работы семинара, 152.43kb.
• Рабочая программа по курсу «Специальная педагогика и специальная психология» на 5 курсе, 94.48kb.
• Специальная обработка, 1624.5kb.
• Abramson Family Cancer Research Institute University of Pennsylvania (usa) Роль апоптоза, 15.2kb.
• Строительство. Система производственного контроля. Часть, 84.92kb.
• Лекция 11. Ковка и горячая объемная штамповка. Ковкой, 107.86kb.
• Примерная программа дисциплины «психология творчества и специальная педагогика», 437.43kb.
• Специальная теория относительности и эксперимент, 634.58kb.
• Н. Г. Чернышевского Г. В. Фадина Специальная педагогика Учебно-методическое пособие, 1128.38kb.

- R/sln -I- - Rcos -,

где R — радиус откованной заготовки.

При Гц <: 0 наибольшая глубина выреза (когда центр скруг­ления выреза находится на окружности прокованной заготовки Rg)

h'B = Rg/sin -I- — Гв/sin - + /-в.

При Гв == R»

/is - R,-

Наибольшая глубина выреза зависит от величин j3 и Рц (с уве­личением р и Rg глубина выреза уменьшается). Глубина выреза, рассчитанная по размеру заготовки в конце протяжки R, опре­деляет возможную величину обжатия при ковке данными бой-

76

ками. Если принять, что размер исходной заготовки не может превысить ширину выреза Ь'в <: 2/ia tg Р/2, то наибольшая воз­можная уковка в вырезных бойках определится из соотношения

пр Rl/Ri ( tg sin) l/cos-I-.

При p = 90 -120° Кпр = 2—4.

Общее правило состоит в том, что чем больше угол выреза, тем больше возможна, уковка вданныхбойках. В этом_заключается преимущество бойков с большимуглом выреза.

В случае применения комбинированных бойков рабочее про­странство их увеличивается как в результате возрастания глу­бины, так и вследствие увеличения ширины выреза. Наибольшая глубина выреза комбинированных бойков повышается относи­тельно вырезных на величину Rn, тогда ha = rr/sui (Р/2) + + Рк — Гв/sin (p/2) + Гв. При Гв — rk h'B =- 2Рк. Пропор­ционально увеличивается и ширина выреза, поскольку ив = 2/1д Х х tg р/2. Аналогичный расчет для комбинированных бойков показывает большие значения уковки. При ' (3 — 90° К'чу = 5,8, а при Р — 120° K.np =- 13,0, что примерно в 3 раза больше, чем для вырезных бойков. Таким образом, наибольшую уковку ме­талла можно произвести в комбинированных бойках с большим углом выреза; вырезные бойки с небольшим углом выреза в этом отношении невыгодные, так как обладают меньшими возможно­стями для проковки металла.

Углы охвата и выреза используются для расчета обжатий, анализа распределения деформаций по сечению (формы и очерта­ния очага деформации и жестких зон), а также характера напря­женного состояния металла; угол охвата обычно является вели­чиной расчетной для определения угла кантовки. При угле кан­товки, меньшем угла охвата, каждое следующее обжатие пере­крывает предыдущее. Чем больше угол выреза бойков, тем меньше угол охвата, и поэтому пропорционально уменьшается угол кан­товки. Таким образом, с увеличением угла выреза число обжатий заготовки для каждого перехода увеличивается, а производитель­ность работы уменьшается. В процессе ковки-протяжки по мере уменьшения диаметра поковки производят смену бойков (или вкладышей) для изменения угла выреза, необходимого для обеспе­чения интенсивной вытяжки и оптимальной схемы напряженно-деформированного состояния металла. Если применять бойки, позволяющие изменять угол выреза в процессе ковки, то не только устраняются потери времени на смену инструмента, но становятся ненужными дополнительные вкладыши с различными углами выреза—экономится штампован сталь, появляется возможность использования более дорогостоящей стали с лучшими свойствами.

Анализ условий деформирования металла кузнечным инстру­ментом позволил установить третье весьма важное качество куз­нечного инструмента, связанное с возможностью интенсифици-77

кации проковки металла. Рассмотрим этот вопрос более подробно. При деформиро­вании металла по любой технологиче­ской схеме удается с помощью совре­менных средств анализа (оптического метода, муара, линий скольжения и т. п.) установить не только форму и размеры очага деформации, но и зоны, области, плоскости наибольшей нормальной или сдвиговой деформации. Чем больше число плоскостей максимального сдвига удается обеспечить и чем большую протяженность эти плоскости получают, тем при меньшей деформации наступает разрушение литой структуры, заварка литейных несплошно­стей и раздробление ликвационных зон. В общем случае речь идет не о плоско­стях сдвига, но о поверхностях сдвига, а в количественном от­ношении — об удельной величине сдвиговой поверхности на единицу деформируемого объема (см ):

SS/V,

где Г-S —суммарная поверхность максимальных сдвигов; V — деформируемый объем (или объем очага деформации для единич­ного обжатия).

Рельефный инструмент. Рельефный боек (рис. 4.12) можно рассматривать как группу выпуклых (конических) бойков или группу вырезных бойков, сопряженных между собой рядами различной направленности. При обжатии рельефным бойком ме­талл обжимается не только выступами, но и в вырезах (выемках). Такая деформация создает условия для образования многих оча­гов деформации и большой общей поверхности сдвигов. При де­формировании. рельефным инструментом теоретически можно получить весьма большую величину сдв- Рельефные бойки обеспечивают также решение другой задачи, состоящей в расчле­нении крупных зон затрудненной деформации, неизбежных при ковке, на ряд мелких слабо развитых зон, которые при последу­ющем обжатии заготовки попадают в зоны сдвиговой деформации, и затрудненность деформации устраняется вообще. С точки зре­ния решения этой последней задачи рельефные бойки могут иметь любое число N и размеры отдельных выступов и вырезов рельефа бойка (чем больше, тем эффективнее решение). Однако для воз­можности получения сквозных плоскостей максимальных сдвигов должно быть выдержано определенное соотношение между разме­ром выступа по подошве Ьв и высотным размером заготовки в конце деформации.

Это соотношение размеров выступов и высоты заготовки в конце обжатия показывает, что чем больше высота поковки, тем круп-

78

нее должны быть выступы, исходя из условия получения наиболь­шей величины 5дд„. На практике высота различных поковок не одинакова, а в процессе ковки обжимаемые участки укорачи­ваются, в связи с чем целесообразно ориентироваться на универ­сальные условия, при которых выступы имеют некоторые средние размеры, а количество их ограничено небольшим числом N, которым может быть любое целое число. Получение N выступов или п рядов, или п —1 вырезов возможно при образовании на бойке вырезов поперечного, продольного, диагонального или скошенного профиля, а также в виде концентрических или криво­линейных вырезов и их различных комбинаций. В случае криво­линейной границы между инструментом и металлом образуются не плоскости, а поверхности максимального сдвига.

Роль продольных и поперечных границ между инструментом и металлом сводится к созданию условий возникновения соответ­ствующих плоскостей максимального сдвига, которые способ­ствуют образованию первичных (в поперечном и продольном се­чении) и вторичного ковочных крестов.

В условиях осадки цилиндрической или квадратной заготовки рельефным бойком понятие поперечные и продольные вырезы или ряд выступов не имеет смысла. При протяжке, когда две стороны очага деформации обычно сопрягаются с внешней (же­сткой) частью заготовки, направление вырезов является суще­ственным. Очертания вырезов (в том числе криволинейных) имеют значение во всех случаях ковки. Простейший рельефный инструмент при двух выступах по обе стороны выреза может быть выполнен в двух вариантах; 1) с продольным вырезом; 2) с попе­речным вырезом. Бойки с одним продольным вырезом вдоль оси заготовки — вырезные бойки — общеизвестны и имеют много разновидностей При ковке такими бойками деформация металла происходит внутри выреза. При ковке бойками с поперечными вырезами деформация металла осуществляется выступами. Такие бойки позволяют интенсифицировать проковку металла, осуще­ствляя ее с увеличенной производительностью, поскольку обжатия происходят одновременно в нескольких очагах деформации. По­дача при ковке такими бойками должна быть согласована с раз­мерами ширины выреза, промежутка между ними и расстояниями от края бойка. Ширина выреза должна быть меньше ширины выступа бойков для того, чтобы при очередной подаче образован­ные утолщения на заготовке могли быть полностью обжаты. -С целью интенсификации проковки бойками с продольными выре­зами можно применять модификации этих бойков.

Ступенчатые бойки. Для интенсификации ковки может иметь значение не только величина 5цдв, но и дробность деформации,

Подкладной инструмент с несколькими продольными вырезами называется струбциной и применяется для поперечной протяжки в двух или трех вырезах различного размера,

повышение которого без снижения производительно­сти может быть обеспече­но ступенчатыми бойками (рис. 4.13). Плоскоступенча-тые бойки должны иметь ступени различной длины, чтобы компенсировать удли­нение заготовки при каждом обжатии. Чтобы чрезмерно не увеличивать размер бой­ков вдоль направления ков­ки, число ступеней следует устанавливать 2—3. Это от­носится и к вырезным сту­пенчатым бойкам.

У комбинированных ступенчатых бойков верхний оформлен как вырезной, а нижний как плоский ступенчатый боек. Эти бойки могут иметь также вспомогательный вертикальный вырез.

В целях дальнейшего увеличения эффективности ступенчатых бойков можно применять ступени скошенной, елкообразной, по­лукруглой и волнистой формы. Дополнительные преимущества ступенчатых бойков против вырезных состоят в возможности полу­чения больших обжатий за каждый ход. Если увеличение произво­дительности бойков с поперечным вырезом объяснялось развитием обжимаемой контактной площади, то в данном случае благодаря дробности деформации и рекристаллизационному процессу, про­текающему в промежутке между соседними обжатиями, общее об­жатие заготовки (рассчитанное по разности высот до и после вы­хода из бойков) получается еще более значительным, что и дает дополнительное повышение производительности работы.

Как уже отмечалось, для определения сдвиговой деформации и эффективности ковки бойками различной конструкции можно воспользоваться выражением 5ддв = S S/V. Определение удель­ной величины сдвиговой поверхности на единицу деформирован­ного объема сопряжено с расчетом действительной суммарной поверхности сдвигов Г S в деформируемом объеме V, который зависит не только от размеров и типа рабочего пространства бойков, но и от габаритов очага деформации. В простейшем слу­чае при обжатии заготовки квадратного сечения плоскими бой­ками в очаге деформации кубической формы образуется две пары плоскостей сдвига общей площадью S == 4/sin к = 5,66F. Тогда для очага деформации в 1 мм 1 см и т. д. 5ддв = 5,66F/V --== — 5,66/Я, мм \ см (где Н — толщина заготовки).

Для более сложных схем деформации бойками с поперечными и дополнительными вырезами следует учесть более развитые гра­ницы очага деформации, по которым образуются плоскости ма-

W







S) в)

Рис. 4.24. Поля линий скольжения при обжатии трехлепестковой заготовки: о— ес? = 1 %; б— е(;р == 2 %; в— вер = 4,6 %

рис. 4.24, в, поле начинает развиваться в центральную обла. гь. Размер контактных площадок определяли по равенству гидроста­тического давления в точке стыковки полей от верхнего и ниж­него бойков. Величина площадки, при которой поле от плоского

•бойка начинает развиваться в глубь заготовки, соответствует об­жатию 4,5 "/о. На данной стадии поля от двух площадок контакта под верхним бойком стыкуются с аналогичным полем от нижнего

•бойка по прямым линиям, пересекающим ось симметрии заготовки в центральной ее части под углом я/4. Следовательно, при обжатии менее 5 % деформация уже достигает осевой зоны заготовки.

95







Рис. 4.25. Поля линий скольжения при обжатии треугольной заготовки: "" a-"6%•.б-'cp=l3% —

Трехлепестковая заготовка после единичного обжатия е <: 10 % сохраняет принципиальную исходную форму сечения, поэтому характер поля после кантовки ее на 120° и такого обжатия не изменяется. 'В процессе последовательных кантовок на 120° и обжатий происходит расширение пластической области от двух контактных площадок под верхним плоским бойком. Вследствие перемещения жестких зон и расширения пластической области происходит выпрямление вогнутых боковых поверхностей заго­товки. Выступы исходной трехлепестковой заготовки в процессе последовательных обжатий и кантовок на 120° приобретает форму вершин треугольной заготовки. Когда произойдет слияние контактных площадок под верхним бойком в одну, поле линий скольжения будет иметь вид, как в случае осадки тупого клина. Поэтому после получения из трехлепестковой заготовки треуголь­ной ее кантуют на 60° (рис. 4.25).

Окантованная таким образом треугольная заготовка имеет две линии — площадки контакта с нижним вырезным бойком и с верхним плоским бойком. На первой стадии деформирования трехлепестковой заготовки под верхним плоским и нижним вы­резным бойками деформация локализуется у поверхности. Поле линий скольжения состоит из элементов двухцентровой веерной сетки и системы ортогональныхпрямых. У треугольной заготовки очаг деформации локализован .у поверхности при обжатии до е == 13 %. Это благоприятно сказывается на проработке металла в вершинах треугольной заготовки, которые на стадии ковки трехлепестковой заготовки находились в зоне затрудненной де­формации у нижнего вырезного бойка.

При увеличении обжатия более 13 % наступает вторая стадия деформирования, когда очаги деформаций проникают в глубь заготовки и поля от верхнего бойка и двух площадок нижнего



стыкуются (рис. 4.25, б). Вырез нижнего бойка остается незапол­ненным. Стыковки между собой очагов деформаций от нижнего бойка не происходит.

После чередования обжатий с кантовками на 60 и 120° полу­чают заготовку шестигранной формы, которая легко перековы­вается в круглую.

Анализ кинематики зон деформации, выполненный по по­строенным полям линий скольжений, позволяет сделать заключе­ние о механизме образования поверхностных зажимов в области больших вогнутых граней заготовки.

При обжатии двух выступов трехлепестковой заготовки пло­ским бойком можно получить три различных очага деформации в зависимости от радиуса большой вогнутой грани.

На рис. 4.26, а представлена пластическая область, равно­мерно распространенная в обе стороны от площадки контакта. Равновесие в распределении потоков пластического течения обес­печивается радиусом вогнутости большой грани R, равной 7?крпт (крит — радиус большой вогнутой грани, отклонение от которого по величине приведет либо к отсутствию зажима, либо к неиз­бежному его появлению). При R >крит форма очага деформа­ции имеет вид, показанный на рис. 4.26, б. Пластическая область распространяется по обе стороны от площадки контакта, однако течение преобладает в сторону свободной поверхности, что гаран­тирует отсутствие зажима по большой вогнутой грани. При R rk-рит преимущественное течение наблюдается в сторону вогну­тости,' что неизбежно приведет к образованию зажима (рис. 4.26, в).

Рассмотренные в п. 2.3 формы трехлепестковых заготовок имеют радиусы больших вогнутых граней R больше крит- По­этому при первом обжатии гарантировано отсутствие зажимов. В процессе обжатия под действием нормальной силы и изгиба-

4 п. И. Полухин и др. 97

ющего момента начальные радиусы дбух других вогнутых граней, находящихся в межбойковом пространстве, уменьшаются. В за­висимости от величины обжатия эти радиусы могут стать равными или меньше крщ- После кантовки и обжатия это приведет к по­лучению под плоским бойком очагов деформации двух видов (по рис. 4.26, а, в) и возникновению возможности или неизбежности образования поверхностного зажима. Экспериментальные данные показали, что обжатие се<: 10 % гарантирует получение радиу­сов двух других вогнутых граней трехлепестковых заготовок 2 и 3 (см. рис. 2.3) больше крит. а следовательно, гарантирует отсут­ствие поверхностных зажимов. Заготовки 4 и 5 не удалось проко­вать без поверхностных зажимов. Объясняется это тем, что с умень­шением отношения diR резко снижается сопротивление лепестка изгибающему моменту. Даже при незначительном обжатии два других радиуса вогнутых граней становятся меньше крит> что неизбежно приводит к образованию зажима.

Таким образом, для исключения возможности образования зажимов в области больших вогнутых граней необходимо вести обжатия с е < 10 %, а соотношение размеров исходной трех­лепестковой заготовки diR должно быть равно или больше 0,75.

При ковке поковок типа валов в комбинированных бойках угол выреза нижнего бойка выбирают в пределах 90—135°. Иссле­дование влияния угла выреза на распределение деформаций по сечению в процессе ковки трехлепестковой заготовки, а также результаты анализа статистической модели процесса ковки пока­зали, что на стадии скругления трехлепестковой заготовки угол выреза не имеет существенного значения. Эти выводы подтвер­ждаются анализом полей линий скольжения, построенных для обжатия трехлепестковой заготовки в нижнем вырезном бойке с углами выреза 90, 110, 120 и 135°.

Во всех случаях в первую очередь осуществляется стыковка смежных очагов деформации, развивающихся от контактных площадок нижнего вырезного бойка с образованием единой пла­стической области. По мере увеличения обжатия угол выреза всех рассматриваемых бойков заполняется металлом под действием развития пластической области и перемещения жесткой зоны вдоль оси заготовки в сторону основания выреза. После заполне­ния нижнего вырезного бойка металлом заготовки во всех случаях дальнейшее развитие поля линий скольжения подобно показан­ному на рис. 4.24.

В связи с этим на стадии получения из трехлепестковой за­готовки угол выреза нижнего бойка не изменяет схему течения металла и не оказывает заметного влияния на распределение деформации по сечению заготовки.

Вследствие громоздкости построений поля не приведены.

4.5. ОПЫТ КОВКИ КРУПНЫХ СЛИТКОВ Достаточно подробно рассмотренные в предыдущих главах особенности строения слитков и литых заготовок, а также разнообразные способы и приемы деформационного воздействия на структуру металла позволяют кратко изложить результаты их применения и достижения в улучшении качественных пока­зателей машиностроительного производства. Например, активное воздействие на формирование макростроения поковки путем за­данного потокораспределения металла в технологическом про­цессе позволило гарантированно увеличить выход годного до 71 % и из того же исходного слитка производить поковку боль­шей массы.

Сосредоточение деформаций в осевой зоне сл?1тка массой 53 т при ковке достигнуто применением термозонального фактора. Кузнечный цикл сокращен на 30 %, устранена трудоемкая опе­рация осадки и высвобождено мощное прессовое оборудование, время пассивного охлаждения слитка на ноздухе уменьшено более чем в 3 раза. Механические свойства металла повышены как по прочности, так и по показателям пластичности при идентичных режимах окончательной термообработки.

Для изготовления колец двух типоразмеров 03120х1900 (внутренний диаметр 1500 мм) и 0 288ОХ158О (внутренний диа­метр 1850 мм) потребовались слитки массой (соответственно названным размерам) 185 и 110 т. Реализация схем пластического течения, отработанных на реальных промышленных поковках, дала возможность производить раскатку прошитой заготовки вырезным ромбическим бойком. Улучшение качества металла, гарантируемое этим приемом, позволило снизить уковку заготовки на предыдущих операциях осадки в результате сокращения числа осадок и соответственно числа последующих протяжек, а также вследствие уменьшения степени осадки (т. е. ограничения ее получением требуемых габаритных размеров блока перед про­шивкой). Учитывая величину припусков на механическую обра­ботку и расположение наиболее ответственного участка детали посередине толщины поковки, для раскатки был'применен ромби­ческий боек с углом выреза 135°, обеспечивающий повышение интенсивности деформаций в аналогичной зоне примерно в 2 раза по сравнению с раскаткой плоским инструментом.

По предложенной технологии для слитков предусмотрена лишь одна операция осадки, общая уковка уменьшена с 11,5 до 4, число нагревов уменьшено с 10 до 7 и с7 до 4 (соответственно для поковок диаметром 3120 и 2880 мм), выход годного соответ­ственно по поковкам повышен до 66 и 60 %', последнее позволило выбрать для поковок слитки массой соответственно 145 и 84 т. Трудоемкость предложенных процессов в 1,94 раза меньше, чем трудоемкость обычных процессов.

В технологическом процессе ковки поковок из стали 12Х18Н10Т использовали термозональный фактор для заварки

дефектов металла осевой зоны с любой ориентировкой и рассредо­точение зон затрудненной деформации, позволившее компенсиро­вать потоки вытеснения металла в средней части высоты слитка (где расположено наибольшее количество дефектов). В качестве инструмента для обжатия подприбыльного объема слитка приме­нили охлажденную в воде цапфу. Внедрение в производство пред­ложенной технологии позволило сократить брак по внутренним несплошностям поковок в 5 раз.

Для штанг квадратного поперечного сечения 185х185 мм из стали 12Х18Н10Т проверяют механические свойства при 400 °С и макроструктуру. Браковочным признаком является ковочный крест, обнаруживаемый металлографическим контролем.

В соответствии с предложенным в п. 1.2 алгоритмом техноло­гический процесс построили па обжатии с пепрямолинейным фронтом. Проведенные испытания механических свойств подтвер­дили уменьшение неоднородности металла: анизотропия ударной вязкости металла, откованного плоскими бойками, составила 2,6, а откованного по-новому — 1,6; поперечное сужение образ­цов, испытанных при 400 °С, увеличилось на 10 %.

Полученные убедительные подтверждения эффективности ре­гулирования потоков пластического течения для повышения ка­чества металла послужили основанием применения сформулиро­ванных принципов и алгоритма для построения технологических процессов ковки гребных валов, заготовок валопроводов, балле-ров рулей, штырей крупнотоннажных судов.

Технологический процесс с биллетировкой на вогнутую бо­ковую поверхность опробован и внедрен при ковке слитков мас­сой 50 т для заготовок штыря рулевого управления. Опыт ковки показал приемлемость расчетов профиля боковой поверхности, которая становилась близкой к цилиндрической при заданной степени осадки; уковка при осадке снижена до 1,4 вместо 2,8, как при ковке с обычной биллетировкой. Кроме того, получено существенное уменьшение трещин на боковой поверхности оса­женного блока. За счет экономии времени на их удаление при по­следующей протяжке удалось сократить один нагрев.

С биллетировкой на местную вогнутую боковую поверхность была откована поковка уникального гребного вала диаметром свыше 1000 мм и длиной II 470 мм, имеющего фланец диаметром 1645 мм.

Подтверждением эффективности биллетировки на вогнутую боковую поверхность явилось повышение механических свойств металла в темплетах от того конца вала, на котором была' выпол­нена вогнутость, по сравнению с ковкой обычным способом. У тан­генциальных образцов поперечное сужение выше на 10 %.

Конфигурация вала (наличие осевого отверстия диаметром более 100 мм) позволила провести исследование металла осевой зоны поковок. До термообработки на поперечных образцах полу­чено увеличение показателя поперечного сужения на 7—9 % на