Специальная ковка

Вид материала

Документы

Содержание Осадка полых слитков. Формоизменение при протяжке на оправке.

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.

loo

участке длины, соответствующем вогнутому профилю боковой поверхности. На продольных образцах это различие в сужении достигает 10 %.

Расчетные данные, полученные анализом модели теплового состояния слитка, дали основание для усовершенствования про­цессов ковки баллера из слитка массой 125 т.

Равномерная проработка металла в осевой зоне по всей длине вала достигнута при ковке без операции осадки, но с предвари­тельным охлаждением поверхности слитка на заготовительных операциях ковки. В ходе промышленного применения этого спо­соба ковки установлена его высокая технологичность, повышение производительности работ в среднем на 20 %. Перископический осмотр просверленного осевого отверстия (диаметром 140мм) пока­зал хорошую деформационную проработку металла осевой зоны.

Способ ковки гребного вала из слитка массой 40 т в условиях форсированного нагрева позволил отказаться от выдержки слит­ков в печи перед операцией биллетировки. Время выдержки слитка в печи перед биллетировкой уменьшено на 20,5 ч. Общее время пребывания слитка в печи сокращено на 17 ч (с учетом увеличения на 3,5 ч времени нагрева перед осадкой). При ковке поковок из слитков массой 65 т рекомендации, выполненные в соответствии с расчетами, позволили сократить время эксплуа­тации печи на 30 ч.

Исследования макроструктуры, механических свойств и уль­тразвуковой контроль показали высокое качество металла поко­вок, откованных с применением заданного режима нагрева.

Наиболее экономичное решение вопроса при ковке слитков холодного посада в печь состояло в разработке способа ковки, обеспечивающего закрытие и заварку продольных и поперечных трещин слитка. Использование термозонального фактора позво­лило добиться закрытия продольных и заварки поперечных тре­щин уже на первой операции ковки, а построение очага деформации при протяжке дало возможность заварить и продольные несплош­ности. Технологический процесс осуществлен при минимальных затратах на инструмент — роль второго конического бойка вы­полняет охлажденная в воде цапфа (применяемая обычно для захвата манипулятором). После внедрения в производство пред­ложенного способа ковки в результате контроля всех заготовок установлено снижение брака по микротрещинам в 7 раз.

Эффективность регулирования пластического течения металла для заварки дефектов несплошности, присущих металлу слитков, проверена возможностью надежной кузнечной сварки заготовки. Кузнечной сварке подвергли четыре пары слитков массой 1,5 т из сталей 25 и 40Х.

Надежное соединение поковок, не уступающее по механи­ческим свойствам основному металлу, обеспечивается кониче­ским сопряжением и вогнутым профилем боковой поверхности заготовок при осадке.

Электронно - микроскопиче­ские исследования ( Х 5000) угольных реплик, снятых с по­верхностей разрыва испытуе­мых образцов, дали углублен­ное представление о качестве кузнечной сварки. Характер разрушения стали 25 вязко-хрупкий с «чашечной» струк­турой; хрупкая составляющая имеет небольшую протяжен­ность и окаймлена участками волокнистого излома с чашеч­ной структурой. В поковке из стали 40Х качество сварки по­всеместно хорошее.

Для заготовок, испытыва­ющих при эксплуатации внут­реннее давление, в соответст­вии с разработанным алгорит­мом было предложено построить процесс ковки с «закручива­нием» макроструктуры по винтовой линии относительно оси по­ковки. Перераспределение анизотропии металла, достигаемое та­ким способом, позволило увеличить механические свойства ме­талла по направлению действия наибольших эксплуатационных напряжений.

Результаты испытаний механических свойств металла в тан­генциальном направлении показали повышение предела пропор­циональности до 1260—1290 МПа (при норме 1200 МПа) и ударной вязкости при температуре —40 °С до 260—280 кДж/м (при норме 200 КДж/м). Таким образом, перераспределение анизотропии металла, достигнутое регулированием макротечения металла, обеспечило заданные механические характеристики металла, со­ответствующие условиям эксплуатации изделий.

Рассмотренные научно-технические исследования неоднород­ного пластического течения металла при ковке позволяют сделать выводы и дать практические рекомендации, напра­вленные на дальнейшее совершенствование технологии ковки, а также на изменение нормативных материалов по каче­ству металла, регламентируемого усредненным показателем — уковкой.

Разработанная методика расчета и анализа полей температур, наводимых в слитке перед ковкой, позволяет конструировать режимы нагрева, обеспечивающие заданную очередность про­работки металла в зонах макростроения слитка.

Положительное влияние дополнительных макросдвигов при ковке в бойках со скрещивающимися рабочими поверхностями (рис. 4.27) можно использовать в производстве, располагая с шч

дующими данными: 1) установленной связью нормальных и макро-сдвиговых деформаций; 2) наличием экспериментальных зависи­мостей макросдвиговых деформаций при ковке новым инструмен­том, количественной оценкой эффективности дополнительных ма­кросдвигов в зависимости от параметров технологического ре­жима ковки. Например, полные выражения для конечных дефор­маций получают из выражения тензора конечных деформаций. Относительное удлинение отрезка вдоль оси 00

е, - ( - dl)ldl = V\ + е. - I,

а главные деформации сдвига выражают как разность главных нормальных деформаций:

Ti==8i—6a; ъ== "-ч—eg, Ъ = 63— 61-

Затем подсчитывают нормальные октаэдрические деформации

е-",. == (81 + 62 + е..)/2 и октаэдрические деформации сдвига

Г = (2/3) l/(ei - е + (e, - + (83 - 8,

а также интенсивность деформаций е, = /2.

Рассматривая деформационный эффект бойков со скрещива­ющимися рабочими поверхностями как полученный вследствие макросдвига в поперечной плоскости заготовки (т. е. принимая деформацию в очаге обжатия плоской), устанавливаем коли­чественные соотношения между конечными сдвиговыми и нор­мальными деформациями (последние для объемного трехмерного течения, происходящего при ковке обычными бойками);

лоск - (2/3) V (81 - 8 + ej + = l/(2/3)e, og; плоск/8; объемн 0,72.

Таким образом, с принятым допущением потребные сдвиговые деформации оказываются в 1,4 раза меньше, чем нормальные.

Как следует из анализа деформированных координатных ре­шеток, сдвиговые деформации при ковке бойками со скрещива­ющимся фронтом при общей уковке 4 составляют в очаге дефор­мации у = 24°, т. е. 0,415 рад. Это дает соотношение нормальных и сдвиговых деформаций 10: 1, полученное непосредственно из эксперимента по ковке слитков массой 1,7 т, т.е. потенциально тот же самый деформационный эффект можно достичь при сдвиго­вых деформациях в 10 раз меньших нормальных, рассчитанных по уковке.

Степень реализации дополнительных макросдвиговых дефор­маций в зависимости от основных параметров процесса ковки бойками со скрещивающимися рабочими поверхностями установ­лена из уравнения регрессии для этого процесса

у == 21,62 + 11,12х1 + 13,75 + 12,25.

В рассмотренных и установленных оптимальных интервалах варьирования угла скрещивания рабочих поверхностей бойков х (100—140°) и степеней обжатия xg (10—25 %) макросдвиговые деформации составят 0,86—0,92, что в пересчете по установлен­ному выше соотношению соответствует уковке 8,6—9,2. В то же время уковка на экспериментальной поковке составляла 4. Таким образом, при ковке новыми бойками деформация более чем в 2 раза превышает расчетную. Практическая важность приведенного ана­лиза состоит в возможности более эффективной деформационной проработки металла при ковке новыми бойками или в снижении общей уковки на поковке до двух раз (при условии обеспечения эквивалентной обычному способу ковки проработки структуры металла).

Требования к качеству поковок для машино- и судостроения связаны с проблемами прочности металла, эксплуатационной надежности и долговечности изделий. Повышение нагрузок, ин­тенсификация режимов работы, стремление к уменьшению массы и габаритов агрегатов при сохранении мощности приводят к изы­сканию новых материалов с повышенной прочностью и новых конструктивных решений. Вместе с тем увеличение эксплуата­ционной надежности крупных агрегатов и эффективности исполь­зования и рентабельности эксплуатации машин можно достичь, используя возможности кузнечных средств повышения качества металла. В процессе эксплуатации судов нарушение работы валопровода приводит либо к снижению скорости хода судна, либо к полной его остановке, а поломка вала турбогенератора — к аварии. Ответственность поковок такого типа иллюстрируется следующими цифрами: по данным бюро «Веритас» (Франция), на судах, снабженных валами диаметром свыше 400 мм, число аварий составляет 25,5 % от всех судов. По американским дан­ным, 34 % гребных валов океанских одновинтовых судов, эксплуа­тируемых в США, заменяют после трехлетней эксплуатации. По статистике, замена гребных валов на судах, поднадзорных регистру Ллойда, за десять лет с момента эксплуатации была произведена более чем на 33 %.

Валы в процессе эксплуатации испытывают действие крутя­щего момента, динамических сил, силы тяжести самого вала, изгибающего момента, сил инерции. Наряду с основными нагруз­ками на вал действуют дополнительные импульсные и ударные нагрузки, имеющие знакопеременный и циклический характер поиложения.





Рис. 4.28. Графр1К для расчета снижения уковки


характеризуют коэффи-

Исследования поврежденных ва­лов показывают, что причинами их поломки во время эксплуатации яв­ляются поверхностные трещины кор­розионного и усталостного харак­тера. Длительный опыт эксплуата­ции крупных валов ответственного .назначения как в нашей стране, так и за рубежом показывает, что с увеличением внешнего диаметра вала свыше 600 мм большой процент их аварий объясняется недостаточ­ной усталостной долговечностью металла поковок, получаемых из крупных слитков (или усталостной выносливостью). Следовательно, од­ним из источников повышения на­дежности машин является увеличе­ние усталостной долговечности де­талей за счет использования резерва механических свойств металла при ковке с заданным макротеченисм. Долговечность работы деталей

ксимальных сдвигов. Чем больше число очагов деформации и от­носительная протяженность каждого из них, тем эффективнее происходит проковка металла. Величину "QS можно приблизи­тельно определить по выражению ILHfV 2, где lpp — общая протяженность границ очагов за одно обжатие с учетом суммы криволинейных или ломаных участков этих границ; Н — высота обжимаемой заготовки. Тогда 5ддв == l,41rp/F, где F —площадь сечения обрабатываемой заготовки.

4.3. ПРОЦЕСС КОВКИ ПОЛЫХ поковок

В общем объеме выпускаемых для машиностроения за­готовок доля полых изделий невелика. Это объясняется невоз­можностью получения отверстий и полостей в"сколь угодно ши­роком диапазоне соотношений размеров. Однако решение задачи получения отверстия в заготовке на стадии обработки давлением приносит не только ощутимую экономию станко-часов при меха­нической обработке детали, но позволяет значительно сни­зить расход металла с напусками — иногда до 50 % массы изделия.

Осадка полых слитков. Как правило, полые поковки получают по двум технологическим схемам: 1) ковкой с прошивкой сплош­ной заготовки и последующей раскаткой или протяжкой биллета на оправке; 2) ковкой из полого слитка. По техническим показа­телям (производительность работы, коэффициент использования металла) вторая технологическая схема более прогрессивна. Однако этой схеме присущи недостатки, связанные с использова­нием полого слитка: необходимость содержания большого парка изложниц, большое отношение высоты слитка к диаметру и сравни­тельно небольшой диаметр внутреннего отверстия. Обычная осадка полого слитка приводит к сокращению диаметра внутреннего отверстия, к образованию складок на внутренней поверхности, переходящих в зажимы и трещины при дальнейшей протяжке и раскатке. Предварительная раскатка полого слитка с целью уве­личения отверстия в большинстве случаев 'невозможна из-за недостаточной прочности оправки и значительных упругих про­гибов. Усовершенствование процесса заключается в следующем. Нагретая до ковочной температуры полая заготовка (например, пустотелый слиток) подается на имеющие осевые отверстия бойки, а оправка вводится во внутреннюю полость заготовки и в осевые сверления бойков, обеспечивая одновременно центровку всей системы. При осадке оправка препятствует смыканию внутренней полости заготовки и предотвращает образование складок и зажимов на внутренней ее поверхности; металл заготовки плотно облегает оправку (рис. 4.14).

Осаженный блок вместе с оправкой подается на опорыи под­вергается раскатке. После окончания процесса раскатки, сопро­вождающегося увеличением внутреннего и наружного диаметров

1 1 '	<	// /
	i	-	«		ff

	1			1
	-

Рис. 4.14. Схема осадки полого слитка на оправке:

а, в — заготовки после осад­ки без оправки; б — заго­товки после осадки на оп­равке; /, // — соответствен­но заготовки до и после осадки

Кроме того, за счет полых слитков удается снизить расход металла на 1 т поковок на 10 %. Применение полых слитков обес­печивает достаточную проработку структуры даже при уковке 1,5—2.

Формоизменение при протяжке на оправке. При протяжке по­лой толстостенной заготовки на оправке плоскими, вырезными или комбинированными бойками образуются дефекты на торцах поковок за счет отставания заготовки от оправки и неравномер­ности удлинения в очаге деформации (работа была проведена при участии Ю. М. Антощенкова). При ковке круглой заготовки плоскопараллельными бойками наблюдаются три пары зон: зона затрудненной деформации, зона пластической деформации и сво­бодная зона, в которых под воздействием пластических макропо­токов возникает жесткое перемещение металла к поверхности заготовки. Свободные зоны характеризуются тем, что в процессе поперечной деформации полой заготовки с жесткой оправкой су-щестбует разрыв нормальных составляющих скоростей переме­щения металла заготовки и неподвижной оправки, а также пере­мещений в направлении, перпендикулярном к действию внешней силы. Разница между нормальными составляющими перемещении оправки (которая неподвижна) и пластической зоны приводит к отставанию слоев металла заготовки от поверхности оправки в горизонтальном направлении.

При. обжатии вырезными или комбинированными бойками, кроме зон, существующих при ковке полой заготовки на плоско-параллельных бойках, появляется зона, размеры которой ограни­чены углом охвата вырезного бойка и зонами пластической де­формации.

Отставание металла от оправки приводит к возникновению зажимов с внутренней поверхности полой заготовки при дальней­ших переходах обжатий. Величина зажима зависит от соотношения размеров исходной заготовки, абсолютной подачи, степени де­формации, диаметра оправки. Диаметр оправки для протяжки полой заготовки определяют из соотношения dg = 0,94d.

С целью уменьшения разнотолщинности исходной полой заго­товки после прошивки предусматривают операцию раскатки перед последующей протяжкой на оправке. При раскатке внутренний диаметр полой заготовки увеличивают на 50—100 мм. Это приво­дит к тому, что в первый момент протяжки до соприкосновения внутренней поверхности заготовки с поверхностью оправки про­исходит расплющивание заготовки.

При дальнейшем обжатии увеличение периметра внутреннего отверстия заготовки происходит за счет внедрения оправки в пла­стическую зону, сопровождающегося частичным отслоением металла от поверхности оправки. При этом отмечается неравно­мерность отставания металла по длине очага деформации: макси­мальное на торце заготовки и минимальное в месте стыковки очага деформации с внешним жестким концом. О соотношении ушире-

83




ния и удлинения при отсутствии внешних частей, стыкующихся с очагом деформа­ции, судили по результатам осадки квад­ратных образцов на круглой оправке. В результате обжатия по схеме, приве­денной на рис. 4.15, квадратная заготовка получала неравномерное уширение и уд­линение. При этом измеряли только максимальную ширину осаженного образ­ца при заданной степени деформации. Ма­ксимальное уширение получили слои об­разца, непосредственно расположенные у поверхности оправки. Соотношение раз­меров осаживаемых образцов Н,а соста­вляло 0,522; оправки имели различный диаметр. Уширение подсчитывали в про­центах относительно высотной дефор­мации Н» н


Рис. 4.17. Схема протяжки на сту­пенчатой оправке:

/ — деформирующий инструмент; 2 — заготовка; 3 — оправка
Чем больше диаметр оправки и отношение Н/а, тем больше от­носительное уширение. (Поэтому в процессе протяжки полой за­готовки на оправке, характеризу­ющемся последовательным изме­нением толщины стенки поковки от большего к меньшему, отно­сительное уширение в начальный момент обжатия принимает макси­мальное значение, а затем умень­шается. Однако на всем протяже­нии деформирования максималь­ное уширение получают слои за­готовки, расположенные в непо­средственной близости к поверх­ности оправки.

Уширение полой заготовки при ковке-протяжке, а также от­слоение внутренних слоев от поверхности оправки в горизон­тальном направлении, увеличение периметра внутреннего отвер­стия в дальнейшем обусловливают складкообразование в полости заготовки. Уменьшить это явление посредством изменения техно­логических параметров (варьированием степени обжатия и пода­чами) невозможно вследствие особенностей обжатия при протяжке на оправке. Кроме того, течению металла в продольном "направле­нии (удлинению поковки) препятствуют силы трения, действующие по поверхности оправки и заготовки. Таким образом, с целью интенсификации удлинения за счет уменьшения сил трения необ­ходимо, чтобы та часть оправки, которая в данный момент не участвует в пластической деформации, имела диаметр несколько меньше диаметра рабочей поверхности (рис. 4.17). Рабочая часть оправки шириной Вр имеет диаметр несколько больший ширины корпуса оправки и выполнена конической с углом у. Это позво­ляет за счет продольной составляющей макропотока еще больше интенсифицировать удлинение и тем самым уменьшить уширение заготовки при протяжке. Для того чтобы не происходило зажимов оправки во внутренней полости заготовки, ширина Яр рабочей ступени •должна быть несколько больше ширины (или абсолютной подачи) бойков Bg.

Экспериментальное деформирование с использованием ступен­чатой оправки было проведено постадийно в комбинированных бойках (верхний — плоский, нижний — вырезной с углом вы­реза 110° на оправке углом конусности 'рабочей поверхности у == 1,5; 7°). Обжимали приторцовые участки заготовок. Анализ данных показывает, что с увеличением обжатия уширение полой заготовки возрастает. Применение ступенчатой оправки с углом конусности у = 1,5°, равным углу конусности обычной оправки типа стержня, уменьшает уширение вследствие значительного