5.2 Основные операции ковки

5.2.1 Осадка

К аждая основная операция ковки определяется характером деформирования и применяемым инструментом. Осадкой называется основная операция ковки, при которой увеличиваются размеры поперечного сечения исходной заготовки за счет уменьшения ее высоты (рис. 60). При осадке заготовку устанавливают вертикально и деформирование происходит вдоль оси заготовки.

Рис. 60. Схема осадки

Осадку применяют в следующих основных случаях:

1. Для получения поковок с большими поперечными размерами из заготовок меньшего поперечного сечения (поковки фланцев, шестерен, дисков).

2. Как предварительную операцию перед прошивкой для выравнивания торцов и увеличения диаметра при изготовлении полых поковок, например, поковок типа колец, барабанов и муфт.

3. Как предварительную операцию перед протяжкой для наибольшего разрушения литой дендритной структуры в слитке и для уменьшения неравномерности свойств в поперечном и продольном направлениях.

4. Для повышения уковки, если площадь наибольшего поперечного сечения выбранного слитка не обеспечивает требуемой уковки.

5. Вместе с протяжкой для деталей типа шестерен и дисков.

6. Для повышения механических характеристик в тангенциальном и радиальном направлениях в поковках типа шестерен.

7. Вместе с протяжкой для равномерного распределения и измельчения карбидов в сталях карбидного класса (быстрорежущие, высокохромистые), что повышает износостойкость получаемых из них изделий.

При осадке плоскости бойков должны полностью перекрывать торцы заготовки от начала до конца осадки (см. рис. 60).

Цилиндрические заготовки при осадке принимают форму в виде одинарной бочки (см. рис. 60).

Бочка получается при осадке заготовок при соотношении Н_заг/D_заг≥2,5, если осадка производится под прессом или под достаточно мощным молотом, дающим большую степень деформации за каждый удар.

Если осаживать нецилиндрическую (квадратную) заготовку, то в процессе осадки искажается форма не только вертикальных, но и горизонтальных сечений заготовки.

Искажение формы тем больше, чем больше степень осадки, причем квадрат (и вообще любое по форме поперечное сечение заготовки) стремится перейти в круг.

Основной причиной искажения формы являются силы трения на контактных поверхностях (бойка и заготовки) (см. рис. 60). Силы трения вызывают бочкообразность тем в большей степени, чем больше коэффициент трения μ.

Рис. 61. Зоны деформаций в заготовке при осадке цилиндра

При μ = 0 цилиндр должен оставаться цилиндром, а квадратное сечение квадратным. При горячей обработке давлением μ = 0,3…0,4, причем считают, что для молота μ несколько меньше, чем для пресса.

При горячей деформации, кроме сил трения на торцах, на бочкообразность влияет также подхолаживание торцов заготовки ввиду плотного контакта с бойками. Силы трения и подхоложенные торцы создают возможность образования зон затрудненной деформации.

В общем случае различают три зоны. Зоны 1 являются упомянутыми зонами затрудненной деформации (рис. 61), в которых напряженное состояние представляет собой всестороннее неравномерное сжатие. Эти зоны как бы расклинивают зону 2, которая интенсивно деформируется в осевом и в радиальном направлении. Зона 3 деформируется менее интенсивно, чем зона 2. Здесь наблюдается деформация растяжения кольцевой зоны 3.

При резком уменьшении отношения Н_заг/D_заг наблюдается слияние зон 1 и 2 в одну зону — зону затрудненной деформации, причем равномерность формоизменения увеличивается и бочкообразность уменьшается.

Расчет диаметра заготовки проводят без учета бочкообразности. Исходя из постоянства объема заготовки до и после осадки, имеем (см. рис. 60):

откуда

Практически удобнее замерять высоту и определять не D_пок, a Н_пок.

Степень деформации при осадке (степень осадки) определяется выражением

С тепень деформации при осадке может меняться от 0 до 1 (в пределе). Средняя степень деформации по диаметру при осадке меньше, чем по высоте.

Величину деформации при осадке определяют также отношением высоты заготовки к высоте поковки. Это отношение называют величиной осадки

Основные правила осадки:

1. Нагрев под осадку ведут до максимально допустимой температуры нагрева (для конструкционной углеродистой стали — 1200С°, для крупных слитков — 1250С°). Это обусловлено тем, что осадка является одной из самых тяжелых операций (максимальное усилие в конце относительно большое). Если в технологическом процессе есть осадка, то машину-орудие подбирают по осадке. Нагрев должен быть равномерным, иначе (особенно для слитков) возможен увод в сторону менее качественной осевой зоны. Нагрев близок к перегреву, но процесс идет быстро, даются большие деформации и происходит быстрое охлаждение. Поэтому рост зерна мал.

2. У исходной заготовки отношение Н_заг/D_заг не должно быть больше 2,5:

При больших отношениях возможен продольный изгиб, и такую заготовку трудно осаживать (рис. 62).

И скривление необходимо немедленно выправить (см. рис. 62). Нажимают на части торца заготовки со стороны выгнутости (см. рис. 62), а когда искривление исправлено, то контактную площадь увеличивают до полного перекрытия

Рис. 62. Исправление прогиба при осадке

всего торца. При очень длинных заготовках исправление искривления производится поперечной гибкой, когда заготовку кладут вдоль бойка и другим бойком ее выпрямляют.

3. При осадке под молотом нужно учитывать, что чем выше заготовка, тем меньше будет рабочий ход молота, отсюда меньше энергия удара. Необходимо, чтобы оставалось больше 1/4 полного хода бабы.

4. Для успешной осадки нужно, чтобы торцы заготовки были бы возможно более гладкими и перпендикулярными к ее оси. Чем выше заготовка, тем важнее соблюдение этого условия. Выравнивание торцов производится легкими ударами молота или легкими нажатиями пресса.

5. Заготовку или слиток перед осадкой необходимо подкатать до цилиндрической формы.

6. Для получения возможно меньшей бочкообразности применяют смазывание, а также подогрев бойков (или осадочных плит) или специальные прокладки по торцам из низкоуглеродистой стали.

7. При осадке следует учитывать критические степени деформации, необходимо знать диаграммы рекристаллизации.

Выбор пресса и молота для осадки. Выбор пресса или молота для осадки имеет важное значение, так как при осадке требуются большие усилия, являющиеся максимальными за весь технологический процесс ковки.

Если пресс или молот оказывается достаточным для осадки, то тем более он оказывается достаточным для всех других операций технологического процесса ковки.

Выбор пресса производят по силе осадки, которую можно определить по формуле

Р = pF_пок,

где р — удельная сила осадки; - средняя величина площади поперечного сечения поковки.

У дельную силу осадки можно определить по формуле Зибеля Э.:

Здесь σ_s — напряжение текучести, т.е. истинное напряжение при линейном пластическом напряженном состоянии и при температурно-скоростных условиях деформирования.

При горячем деформировании вместо σ_s можно взять предел прочности σ_в при данной температуре, а скорость деформации можно учесть соответствующим коэффициентом W. Значения W для различных сталей при повышенных температурах даны в справочной литературе.

При осадке крупных поковок потребные удельные силы оказываются значительно меньше, чем подсчитанные по вышеприведенным формулам. Это объясняется, главным образом, тем обстоятельством, что внутри крупных поковок температура оказывается выше, чем температура на поверхности, по которой устанавливается величина σ_Β. Это несоответствие было скорректировано так называемым масштабным коэффициентом К_м:

Масса, т 0,5 6,0 20 50 100

К_м 0,80 0,70 0,60 0,55 0,50.

Учитывая изложенное, рекомендуется определять потребную силу пресса по следующей формуле:

г де D_пок и Н_пок даны в метрах.

Выбор молота для осадки определяется по необходимой работе деформации за последний удар. При предыдущих ударах контактная площадь и сопротивление деформированию будут меньше. Поэтому для предыдущих ударов масса падающих частей молота будет заведомо достаточна, если она достаточна для последнего удара (при относительно невысоких заготовках, иначе следует сопоставлять набранную кинетическую энергию падающих частей молота).

Степень деформации за последний удар должна быть невелика (выбирают докритические степени деформации, ε_κ = 0,025+0,06), так как в противном случае будет слишком велика потребная масса падающих частей молота. Для работы деформации за последний удар можно использовать следующую формулу:

где: А — работа деформации, кДж; р — удельная сила в конечный момент, МПа; ε_κ — степень деформации за последний удар; V_заг — объем заготовки, м³.

Величину ρ можно определить по ранее представленной формуле, причем необходимо учесть увеличение σ_в на величину скоростного коэффициента W. Для молотов W = 2,5…3. Величина А должна соответствовать энергии удара молота L, кДж, которая определится по формуле

где η_у — коэффициент полезного действия удара, равный примерно 0,8.

Рис. 63. Диаграмма для выбора массы падающих частей молота для ковки поковок типа шестерен (по данным УЗТМ): I — поковки, изготовляемые на гидравлических прессах

Энергия удара молота находится в следующей зависимости от массы падающих частей G, кг:

L = 2,5 10^-3G.

Отсюда имеем, заменяя А через G,

2,5 10^-3Gη_у = 10³ρε_κV_заг

О кончательно массу падающих частей молота с учетом W = 3 можно определить по следующей формуле:

Для облегчения расчетов по выбору массы падающих частей молота применяют диаграммы (рис. 63), в которых массу падающих частей молота определяют по высоте Н_пок и диаметру D_пок осаженной заготовки или, соответственно, поковки. Такие диаграммы применимы для углеродистых и низколегированных сталей при обычных температурах осадки.

Различные способы осадки. Существуют различные способы или разновидности осадки. Основными из них являются:

1. Осадка на плоских бойках (плитах).

2. Осадка с хвостовиком.

3. Осадка в подкладных кольцах.

4. Высадка.

5. Осадка путем разгонки.

1. Осадка на плоских бойках (плитах), без хвостовика (см. рис. 60) применяется для получения поковок типа дисковили заготовок под последующую прошивку.

Выше рассматривался этот способ осадки.

2. Осадка с хвостовиком (рис. 64) применяется преимущественно для слитков, т.е. при изготовлении крупных поковок в тех случаях, когда после осадки следует протяжка. Такая осадка применяется для улучшения качества металла, для увеличения последующей уковки. Хвостовик или цапфа оттягивается при округлении граней слитка — биллетировке и при осадке вставляется в отверстие нижней плиты.

Плиты имеют рабочий торец в виде вогнутой шаровой поверхности.

Х востовик оттягивают со стороны прибыльной части слитка. Он служит впоследствии для захвата заготовки клещами манипулятора (рис. 65, а) или для удержания и кантовки слитка патроном при протяжке (рис. 65, б).

Рис. 64. Схема осадки с хвостовиком

Рис. 65. Протяжка слитка после осадки с хвостовиком:

а — с помощью манипулятора; б — с помощью патрона:

I — бойки; 2 — слиток; 3 — клещи манипулятора;

4 — манипулятор; 5 — противовес; 6 — патрон; 7 — цепь кантователя

Рис. 66. Протяжка после осадки сферическими (а) и плоскими (б) плитами:

1 — небольшой концевой отход; 2 — большой отход по утяжине

Выпуклость торцов обеспечивает достаточное течение металла в средней части слитка при протяжке, чем устраняется брак по зажиму (торцовой утяжине) (рис. 66). Такой вид брака получается при ковке крупных слитков, когда обжатия невелики и металл при протяжке течет больше в поверхностных слоях, чем в середине.

3 . Осадка в подкладных кольцах (на плитах с отверстиями) (рис. 53) выполняется по двум вариантам. Первый вариант — осадка с предварительной оттяжкой хвостовиков, которые помещаются в отверстиях колец, и второй вариант — с затеканием металла в отверстия колец при осадке. Осадка в кольцах с затеканием металла применяется для получения изделий типа глухих шестерен,

Рис. 67. Осадка в подкладных кольцах: а — с предварительно протянутыми бобышками; б — с затеканием металла в отверстия; 1 — бобышки предварительно протянуты

фланцев и дисков с бобышками, в тех случаях, когда высота бобышек сравнительно мала, так что оттяжка их затруднительна или нежелательна.

Угол конусности (наклон стенок отверстий) берут от 1°30' до 7°. Размеры заготовки выбирают такими, чтобы полностью произошло оформление бобышек. При осадке в кольцах общая высота, как правило, уменьшается, поэтому заготовка выбирается с большой высотой.

Кольца делают со сквозными или с глухими отверстиями. Для фланцев с малой высотой бобышек кольца получаются излишне тонкими, непрочными. В этих случаях делают глухие подкладные кольца.

При осадке в кольцах слитков глухие кольца делают, когда высота бобышки меньше 350…400 мм.

Если необходимо получить одну бобышку, применяют одно подкладное кольцо глухое или сквозное, в зависимости от высоты бобышки.

При осадке в кольцах мелких заготовок из проката диаметр подкладных колец выбирают равным конечному диаметру фланца поковки с тем, чтобы после осадки можно было ликвидировать бочкообразность обкаткой, причем кольца служат ограничительными плитами.

4. В ы с а д к а (рис. 68) осуществляется при почти тех же рекомендуемых соотношениях, что и осадка на плоских бойках.

Например, рекомендуется соотношение Н_выс/D_заг ≤3 во избежание продольного изгиба.

Рис. 68. Схема высадки:

а — высадка концевой части заготовки в подкладном кольце; б — высадка длинных заготовок с помощью подвешенной болванки ("романа")

Ограничение деформации невысаживаемых участков заготовки осуществляется или при помощи инструмента или применением местного нагрева высаживаемой части.

Высадку производят чаще всего двумя способами: в нижнике и "романением".

При высадке в нижнике (в подкладном кольце) (рис. 68, а) заготовку берут с диаметром, равным диаметру отверстия (диаметру стержня поковки) или же, если заготовка выбрана большего диаметра, то невысаживаемую часть предварительно оттягивают. Последнее обычно делается для поковок с тонким хвостовиком при толстом фланце, когда длина высаживаемой части при цилиндрической заготовке больше 3D_зar. Получается схема, аналогичная осадке в кольце.

Высадку "романением" (рис. 68, б) применяют, когда на длинных и тяжелых валах нужно получить фланец, а высадка в нижнике или кольце невозможна. Деформирование заготовки производится с помощью болванки ("романа"), подвешенного к крану и раскачиваемого вручную. Нагрев заготовки местный. Процесс не очень удобен, и применяется редко.

В настоящее время есть гидравлические ковочные прессы, оборудованные дополнительным горизонтальным цилиндром, с помощью которого можно производить высадку (заменяет "роман").

5. Осадка путем разгонки (рис. 69) применяется для уменьшения высоты и увеличения диаметра уже осаженной заготовки.

Рис. 69. Осадка разгонкой:

о — с помощью раскатки; б — бойками; в — узким бойком с вырезом

Осадка путем разгонки позволяет уменьшить высоту и увеличить диаметр осаженной заготовки при небольших потребных силах, что обеспечивается резким уменьшением контактной поверхности между

инструментом и поковкой. Вначале заготовка осаживается на молоте или прессе до определенного диаметра, пока мощность машины оказывается достаточной, а затем производится осадка путем разгонки.

На рис. 69 а показана осадка путем разгонки сравнительно небольших поковок. Для разгонки применяется полукруглая раскатка, устанавливаемая по диаметру заготовки и поворачиваемая на определенный угол вокруг вертикальной оси после каждого обжатия. Поверхность заготовки получается волнистая, и для ее выглаживания пользуются плоскими раскатками, способ применения которых аналогичен полукруглым раскаткам.

На рис. 69, б показана осадка путем разгонки полотна диска под молотом. Роль раскатки выполняют бойки. Заготовку укладывают на нижний боек и на подставку и после каждого удара поворачивают вокруг вертикальной оси.

На рис. 69 в показана разгонка полотна крупного диска под прессом с помощью узкого бойка с вырезом под бобышку. Заготовку устанавливают в подкладной плите с отверстием под бобышку. После каждого обжатия заготовку с подкладной плитой или узкий верхний боек поворачивают на определенный угол вокруг вертикальной оси.

Способ осадки путем разгонки по существу процесса деформирования относится к протяжке, но по результатам представляет собой осадку.

Отделочные операции после осадки. К ним относятся обкатка по диаметру и правка торцов. Отделочные операции нужны для уменьшения припуска на обработку резанием. Значительная величина бочкообразности приводит к лишнему расходу металла, так как вся бочкообразность — это избыточный припуск.

Обкатка по диаметру (рис. 56, а) применяется для уничтожения бочкообразности заготовки и придания ей цилиндрической формы. Обкатку осуществляют легкими ударами или нажатиями, вращая заготовку, установленную на ребре, вокруг оси. Лучшее качество дает обкатка с применением подкладок или обжимок.

Рис. 70. Отделка после осадки:

а — обкатка по диаметру (I — бойками; II — с подкладками); 6 — правка торцов (III — бойками; IV— плоской раскаткой)

Рис. 71. Осадочные плиты

Правка торцов (рис. 70, б) применяется после обкатки, так как при обкатке даются легкие нажатия и толщина по краю диска увеличивается, а правка делает толщину одинаковой.

Правка торцов бойками применяется также в случае искривления тонкого диска.

Инструмент для осадки. Основными инструментами для осадки и ее разновидностей являются бойки, осадочные плиты и кольца. Бойки являются также главным инструментом при протяжке и при других операциях и будут рассмотрены в параграфе о протяжке.

Рис. 72. Кольцо для осадки под молотом (а) и под прессом (б)

Осадочные плиты применяют только на прессах (рис. 71). Верхняя плоская осадочная плита показана на рис. 71, а, а нижняя на рис. 71, б. Верхняя и нижняя сферические плиты для осадки с хвостовиком крупных слитков показаны на рис. 71, в и г.

На рис. 71, д представлена нижняя осадочная плита с отверстием для осадки мелких слитков. Плита снабжена рычагами для кантовки на 90°.

Кольца для осадки применяют как при ковке на молотах (рис. 72, а), так и при ковке на прессах (рис. 72, б).