Тема 2.4.1 Ковка, сущность процесса, применяемое оборудование и инструмент. Виды операций ковки

Вопросы:

1. Сущность, назначение и область применения про­цесса ковки.

2. Операции ручной и машинной ковки: назначение, исходная заготовка, последова­тельность выполнения, основной и вспомогательный инст­румент.

3. Основные части и принцип работы пневматических и паровоздушных ковочных молотов и гидравлических прессов.

4. Применение ковки в ремонтных работах.

1. Ковка – это обработка давлением с помощью уни­версального подкладочного инструмента или бойков. Ковка бывает ручной и машинной.

Свободной ковкой называется процесс обработки дав­лением, при котором перемещающиеся слои металла не встречают сопротивления своему движению.

Процесс ковки осуществляется последовательными ударами кувалды, бойка молота или нажимами бойка пресса с применением различного инструмента. В литом металле дендритная структура после ковки превраща­ется в волокнистую, а в катаном уже существующая во­локнистая структура улучшается. Изменения структуры и свойств металла при ковке во многом зависят от его первоначальной структуры и свойств, от температурного режима ковки и от степени его обжатия (уковки). Металл, подвергаемый ковке, как правило, нагревают.

При ручной ковке применяют следующие приспособ­ления: наковальни, шпераки, гвоздильни, различные оп­равки, стуловые тиски и др. Шперак – маленькая нако­вальня с хвостовиком, который вставляется в отверстие большой наковальни. Гвоздильни применяют для высад­ки головок заклепок, болтов и т. д. Оправки служат для изготовления втулок.

Инструмент, используемый при ручной ковке: кувалды, ручники (кузнечный молоток), зубила с подсечкой, радиусные и плоские подбойки, гладилки, бородки, прошивни (рис. 37). Их изготовляют из углеродистых инструменталь­ных сталей качественных и высококачественных марок – У7, У7А и др. Для удерживания поковок служат клещи. Для измерения поковок применяются линейки, кронциркули, нутромеры, уголь­ники, шаблоны и др.

Для машинной ковки применяются плоские и радиусные сменные бойки для молотов, об­жимки, кузнечные топоры, раскатки, прошивни и др.

2. Операции ручной и машинной ковки делят на разделительные и формоизменяющие. Схемы основных опера­ций ковки приведены на рис. 40.

Разделительная операция – операция, в результате которой происходит отделение одной части заготовки от другой (отрубка, надрубка, про­бивка, ломка).

Рис. 37 Кузнечный инструмент для ручной ковки

Рис. 38 Схема основных операций ковки:

1 – осадка; 2 – высадка; 3 – протяжка; 4 – раскатка; 5 и 6 – про­шивка; 7 и 8 – отрубка; 9 и 10 – гибка; 11 – сварка; 12 – кручение

или прошивнями. Ломка – разделение заготовки на части путем разру­шения изгибом.

Формоизменяющая операция – обработка давлением, в результате которой заготовке путем пластической де­формации материала придается заданная форма. К фор­моизменяющим операциям относятся: осадка, вы­садка, протяжка, разгонка, прошивка, раскатка, проглаживание, правка.

При осадке (рис. 40, 1) происходит уменьшение высоты и уве­личение поперечного сечения заготовки. Во избежание продольного изгиба высота осаживаемой заготовки должна быть не больше 2,5 диаметров или толщины. Осадку применяют тогда, когда требуется получить поковку с большим поперечным сечением, изменить на­правление волокон в металле для улучшения качества изделия или как промежуточную операцию для увеличения проковки ме­талла.

Деформация металла при осадке характеризуется коэффици­ентом уковки. Коэффициент уковки k определяется отношением ис­ходной высоты Н к конечной h или отношением конечной площади поперечного сечения F_к к исходной F_и, т. е.:

К_н = Н/h или К_н = F_к/F_и

Разновидностью осадки является высадка части заготовки (рис. 40, 2). Высадка может быть осуществлена при нагревании определенной части заготовки (конец или середина) или ограниче­нием деформации некоторой части заготовки кольцевым инстру­ментом.

При протяжке или вытяжке (рис. 40, 3) происходит увеличе­ние длины заготовки за счет уменьшения площади ее поперечного сечения. Протяжку коротких заготовок ведут с края заготовки, а длинных – с середины приложением усилия ковки перпендику­лярно оси заготовки. После одного или нескольких ударов заготов­ку кантуют на 90°, проковывают, затем возвращают в первоначаль­ное положение и т. д., осуществляя подачи вдоль всей длины, под­лежащей протяжке. Таким способом заготовку можно вытянуть на необходимую длину и до требуемого поперечного сечения.

Для интенсификации процесса протяжки и получения доста­точно гладкой поверхности поковки подачу следует принимать равной 0,4…0,8 ширины бойка.

Коэффициент уковки при протяжке определяется отношением конечной длины L_к к исходной L_и или отношением площади поперечного сечения исходной F_и заготовки к конечной F_к, т. е.:

K_L = L_к/ L_и, или K_L = F_и/F_к.

За каждое обжатие коэффициент уковки составляет примерно 1,2…1,3.

Основным рабочим инструментом при осадке и протяжке яв­ляются бойки.

Рубку применяют для разделения заготовки на несколько частей или для удаления концов поковок при помощи кузнечных зубил и кузнечных топоров.

Прошивку (рис. 40, 5 и 6) применяют с целью получения сквозных или глухих отверстий в металле при помощи прошивня, который может быть сплошным или пустотелым.

Сквозное отверстие обычно получают за два перехода. Сначала на заготовке, уложенной на подкладное кольцо, прошивнем наме­чают отверстие. Затем заготовку кантуют на 180° и прошивают сквозное отверстие с удалением выдры в отход.

Прошитая заготовка далее либо калибруется до требуемых размеров отверстия, либо при необходимости подвергается рас­катке по диаметру с применением оправки, что при­водит к утонению кольца и увеличению его диаметра.

При гибке (рис. 40, 9 и 10) заготовку изгибают по заданному кон­туру. Гибку можно осуществлять при зажатии одного конца заго­товки между бойками ударами кувалды по другому концу. Круп­ные заготовки подвергают гибке в специальных гибочных штам­пах или на гибочных машинах, называемых бульдозерами.

В процессе гибки поковка изменяет форму; в результате утяж­ки площадь сечения металла уменьшается. Если последнее неже­лательно, то в месте изгиба со стороны растягиваемых волокон предусматривают утолщение.

Кручение (рис.40, 12) состоит в повороте одной части заготовки относительно другой па заданный угол. При кручении один конец заготовки зажимают между бойками, а на другой надевают вилку. Кручение производят ударами кувалды по концу вилки или при помощи крана.

Кузнечная сварка (рис. 40, 11) состоит в соединении в одно целое отдельных частей поковки различными способами (внахлест­ку, вразруб, встык). Место соединения предварительно под­готовляют, затем нагревают до сварочной температуры (обычно 1275…1400°С) и сваривают, применяя внешнее давление. После этого заготовку в месте сварки подвергают проковке и отделке при помощи обжимок. Кузнечную сварку применяют для низко­углеродистых сталей с содержанием 0,15…0,25% С при ремонтных работах и при изготовлении поковок типа звеньев цепей и т. д.

3. Машинную ковку производят па коночных молотах и прессах. Ковочные молоты применяются пневматиче­ские для изготовления мелких поковок и паровоздушные для производства средних поковок. Крупные тяже­лые поковки куют на коночных прессах.

Ковочный молот имеет падающие части, состоящие из бабы и прикрепленного к ней снизу верхнего бойка. Заготовка кладется па нижний боек, закрепленный в ша­боте, и куется путем нанесения ударов верхним бойком по поковке.

Рис. 41 Пневматический ковочный молот:

а – общий вид; б – кинематическая схема

Пневматический ковочный молот (рис. 41) имеет два цилиндра: компрессорный 1 и рабочий 2. Поршень 14 в компрессорном цилиндре приводится в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механиз­мом 13 от электродвигателя 10 через редуктор 11 и слу­жит для нагнетания сжатого воздуха, приводящего в дви­жение рабочий поршень 12. Сжатый воздух поступает в рабочий цилиндр попеременно снизу и сверху, застав­ляя тем самым «бабу» молота то подниматься, то опус­каться и наносить удары по поковке, расположенной на нижнем бойке 6.

Молот управляется воздушными клапанами 3, распо­ложенными в каналах 4. соединяющих цилиндры. Клапа­ны открываются и закрываются при помощи педали 9 (ножное управление) или при помощи рукоятки (ручное управление). Управление пневматического молота уст­роено так, что баба может нанести по поковке один удар или автоматически подряд несколько ударов, а также может удерживаться на весу или прижимать поковку к нижнему неподвижному бойку. Верхний боек 5 при­креплен к бабе молота, а нижний 6 – к подушке 7, уста­новленной на массивном металлическом основании – шаботе 8, покоящемся на собственном фундаменте и со станиной молота не связанный. Пневматические моло­ты имеют массу падающих частей от 50 кг до 1 т. Число ударов молота составляет от 70 до 190 в мин. Паровоздушные молоты подразделяются на молоты простого и двойного действия. У молотов простого дей­ствия пар или воздух служат только для подъема па­дающих частей. Молоты этого тина применяются редко. У ковочных молотов двойного действия пар или воздух служит не только для подъема падающих частей, но и для дополнительного давления на поршень при паде­нии бабы, что позволяет значительно увеличить энергию удара молота. Заготовки нагревают до 1000…1200° С и затем подают к прессу для ковки.

Паровоздушные ковочные молоты могут приводиться в действие паром или сжатым воздухом. Паровоздушные молоты различают простого и двойного действия. В последнем случае пар или воздух поднимает подвижные части молота и дополнительно увеличивает энергию удара.

Паровоздушные молоты по конструкции разделяют на односто­ечные с падающими частями массой 500, 750 и 1000 кг, двухстоечные арочного типа с падающими частями массой 1…5 т и двухстоечные мостового типа с падающими частями массой 2…5 т.

На рис. 42 показан общий вид двухстоечного паровоздушного ковочного молота арочного типа. Молот состоит из двух боковых стоек 3, смонтированных на общей плите 10. Плита укреплена при помощи анкерных болтов на фундаменте молота. В середине плиты имеется вырез для шабота 11, который укреплен на отдельном фун­даменте. На стойках смонтирован рабочий цилиндр 1, поршень которого связан со штоком 4. На конце штока укреплена баба 5 с верхним бойком 6. Для управления молотом служит рукоятка 7, передвигающая золотник, помещенный в золотниковой коробке 2, вверх или вниз, что обеспечивает рабочий ход бабы с верхним бой­ком попеременной подачей пара или воздуха в камеру над поршнем или под поршнем. Давление пара или воздуха 0,7…0,9 МН/м² (7…9 aт). Между стойками станины расположен шабот, на кото­ром укреплена промежуточная подушка 9 и нижний боек 8. У паро­воздушных молотов арочного типа масса шабота обычно в 15 раз больше массы падающих частей.

Рис. 42 Паровоздушный ковочный Рис. 43 Схема устройства гидравлического

молот арочного типа пресса

На паровоздушном молоте можно производить единичные и автоматические удары бойка о поковку, а также прижим поковки бойком. Подвижные части паровоздушного молота можно удержи­вать на весу.

Для ковки средних и крупных поковок применяют гидравличе­ские и парогидравлические прессы.

В состав гидропрессовой установки входит собственно гидрав­лический пресс; насосная установка; сеть высокого давления с ак­кумулятором высокого давления; сеть низкого давления с акку­мулятором низкого давления, питающим насосы и пресс на опре­деленных этапах рабочего цикла; орган управления – водораспределитель или так называемый дистрибутор; система трубопроводов с соответствующей аппаратурой и арматурой (запорные и предохранительные клапаны, компенсаторы и др.), соединяющие всё элементы в одну гидравлическую систему.

Современным приводом гидравлического пресса является насос­ный привод через беспоршневой воздушно-гидравлический акку­мулятор высокого давления. Такой аккумулятор состоит из двух или трех металлических резервуаров, один из которых заполнен водой до 75% объема, а остальной объем занят сжатым воздухом и соединен трубой с другими резервуарами, также заполненными сжатым воздухом. Сжатый воздух давит на поверхность воды в пер­вом резервуаре и этим заменяет груз. Беспоршневой воздушно-гид­равлический аккумулятор является компактным и более экономич­ным по сравнению с другими видами аккумуляторов (грузовым и воздушным поршневым).

На рис. 43 показана схема устройства ковочного гидравличе­ского пресса. В нижней поперечине 8, служащей станиной пресса и укрепленной на фундаменте, при помощи гаек закреплены четыре колонны 6. Вверху колонны соединены с верхней поперечиной 3. Верхняя и нижняя поперечины вместе с колоннами составляют жесткую раму пресса. В верхней поперечине укреплен рабочий цилиндр 1, внутри которого помещен плунжер 2, связанный с под­вижной поперечиной (траверсой) 4. В нижней части подвижной поперечины крепится верхний боек 5. Нижний боек 7 ук­реплен на нижней неподвижной поперечине. Вода высокого давле­ния по трубе а подается в рабочий цилиндр 1, давит на плунжер 2, который вместе с подвижной поперечиной и верхним бойком пере­мещается вниз для деформации слитка или заготовки.

Перемещение подвижной поперечины вверх осуществляется с помощью двух подъемных (возвратных) цилиндров 9, установлен­ных в верхней неподвижной поперечине 3. Вода под давлением пос­тупает по трубе 6 в подъемные цилиндры, давит на подъемные плун­жеры 10, которые, поднимаясь, перемещают связанные с ними попе­речину 11, тяги 12 и подвижную поперечину 4.

Рабочий цикл гидравлического пресса состоит из ряда перио­дов (ходов): 1) исходное положение – поддержание подвижной поперечины на весу для установки или кантовки заготовки, 2) хо­лостой ход вниз (или ход предварительного наполнения) под дейст­вием на плунжер воды низкого давления до соприкосновения верх­него бойка с заготовкой, 3) рабочий ход при давлении на плунжер воды высокого давления, в течение которого происходит деформа­ция металла, 4) обратный ход траверсы вверх под давлением на плунжеры обратного хода воды высокого давления; в конце обрат­ного хода траверса возвращается в исходное положение.

4. Свободная ковка находит применение при индивидуальном и мелкосерийном производстве для ремонтных работ. Данным способом изготовляют поковки любой массы, включая и наиболее тяжелые (более 300 т, например, валы гидротурбин, цельнокованые паровые котлы).

При помощи ковки можно изготовить детали высокой прочности. Наиболее ответственные детали тракторного двигателя – коленчатый вал, шатун, всасывающие и выхлопные клапаны, заготовки для стальных дисковых шестерен, корпус подшипника и другие – изготовляются ковкой.