книги из ГПНТБ / Совершенствование технологии ковки крупных поковок типа пластин

полученные данные подтверждают имеющиеся представления, что осевая зона поковки за счет растягивающих напряжений имеет меньшую проработку по сравнению с приконтактной и боко­ вой.

Различие в количественном отношении величины напряжений

вобъеме очага деформации по величине и их знаку находит свое подтверждение в неравномерном распределении конечных величин деформаций, приводящей к искажению формы поперечного сече­ ния заготовки. Особенно это заметно при изготовлении пластин по схеме 1-г. Поэтому изучение характера изгиба пластины является важным для установления его влияния на величину овальности периметра поковки, а также с точки зрения определения величины оптимального хода траверсы при программной ковке.

Влитературе приводятся решения ряда технологических задач

восновном теоретического плана, где практические вопросы раз­ работки рациональной технологии ковки носят схематический ха­ рактер. Даже для подсчета, например, только одного технологиче­ ского параметра — усилия ковки — имеется несколько аналитиче­ ских зависимостей, выведенных к тому же для ковки простых па­

провести теоретические исследования в направлении их непосред­ ственного практического приложения к производству.

Технологи на заводе, не имея обоснованных расчетных дан­ ных, разрабатывают технологию ковки укрупненно, опираясь на высокую квалификацию и опыт кузнечной бригады. Такая техно­ логическая карта заведомо содержит необоснованно завышенные нормы расхода материала за счет увеличенных технологических напусков.

Только эффективное использование расчетных данных, получен­ ных теоретическим путем, учитывающих все условия деформации, а также использование богатого производственного опыта, позво­ лит решить вопросы совершенствования технологических процес­ сов и организации производства.

Пластические и прочностные свойства материалов заготовок толстолистовой стали при горячей ковке различны и учитываются технологом при расчете основных технологических параметров по результатам лабораторных испытаний. ■

Согласно законам механики, силы сопротивления деформации металла оказывают одийаковое давление в области очага дефор­ мации как на верхний боек, так и на плиту. Приравнивая между собой усилия, действующие со стороны металла на верхний боек и плиту, а также учитывая отсутствие внешних зон со стороны пли­ ты, определяем ширину очага деформации 1Лна контакте металла с плитой

11

(8)

где ц — коэффициент внешнего трения.

Схема, показывающая отгиб концов пластины, приводится на рис. 3. Как видно из выражения (8), длина очага деформации на контакте с плитой больше, чем с бойком. В продольном сечении, в элементарном представлении, очаг деформации можно предста­ вить как равнобочную трапецию. Нейтральное сечение равнобоч­ ной трапеции, проходящее через ее центр тяжести, всегда располо­ жено ближе к нижнему основанию.

УI л

е,_

г

Рис. 3 ‘.Схема очага деформации в продольном направлении

Как известно из экспериментальных исследований в обработке металлов давлением, полная величина абсолютного обжатия рав­ номерно распределится на обе части объема очага деформации, разделенных нейтральной осью. Тогда объем металла, прилегающий к плите и имеющий меньшую высоту, получит большую величину относительной деформации. Это в свою очередь приведет к более интенсивному течению металла, прилегающего к плите. Превыше­ ние скорости течения металла у плиты по сравнению с бойком,

вконечном счете, выразится в отгибе концов пластины от плиты.

Всоответствии с методикой, излагаемой в работе [7], величина угла отгиба концов пластины от плиты при выражении общей от­ носительной деформации через относительные деформации каж­ дого объема, прилегающих к плите и бойку относительно нейтра­

ли, запишется

(9)

12

к бойку; А // — общая величина абсолютного обжатия;

'И о — высота объема, прилегающего к бойку;

легко находится Н . Если в (9) заменить е, гп и е в через их зна­ чения. то величина угла отгиба будет зависеть только от -р-

На рис. 4 показан график зависимости угла отгиба от относитель­ ной длины очага деформации или от подачи. Сплошные линии от­ носятся к расчетным данным, штриховые — к экспериментальным. Между расчетными и экспериментальными данными получена удо­ влетворительная сходимость. Как видно из рис. 4, с уменьшением

Рис. 4. Зависимость угла отгиба от длины очага деформации при р = 0,5.

13

Неравномерность напряжений в очаге деформации и изгиб пла­ стины приводят к искажению ее конечной формы, особенно в углах заготовки на ее концах. Установлено, что основное искажение фор­ мы пластины происходит в процессе деформации между бойками. Поэтому необходимо выбрать такой критерий или единицу формы пластины, который бы характеризовал степень отклонения от усло­ вий идеальной равномерной деформации по ширине при ковке.

Согласно закону постоянства объема изменение размеров от­ дельных частей деформируемого тела происходит в соответствии с его сплошностью. Все участки по ширине поковки, будучи связа­ ны между собой, не могут изменить своих размеров без влияния на соседние.

Можно отметить, что основные затруднения, возникающие при разработке технологического процесса ковки крупногабаритных пластин, вызв-аны отсутствием приемлемых для производства ин­ женерных решений и точных методов расчета.

При расчете технологических параметров свободной ковки в за­ водских условиях упругими деформациями инструмента обычно пренебрегают ввиду их незначительности и полагают, что инстру­ мент обладает идеальной жесткостью. Конечные же деформации, напряжения и усилия определяют, используя упрощенный аппарат теории пластичности.

Любое преобразование формы поковки в свободной ковке про­ исходит за счет совместной пластической деформации металла и упругой деформации ковочного оборудования вследствие устало­ сти материала оборудования при нагрузках, достигающих тысячи тонн. Поэтому помимо рассмотренных факторов, влияющих ка не­ равномерность деформации и учитываемых современными метода­ ми расчета, фактор упругой деформации, который не учитывается при определении конечного формоизменения, следует также учиты­

вать.

Всякое изменение формы поковки достигается за счет высотной деформации. Возникающие продольные и поперечные деформации являются следствием высотной деформации. Основными показате­ лями, характеризующими геометрию плит, являются отклонения по толщине и его форма. Одной из причин отклонения формы конеч­ ных пластин считают нестабильность условий деформации заго­ товки. Колебания толщины и формы возникают вследствие непо­ стоянства давления металла на боек. Эти колебания давления при­ водят к упругой деформации ковочного оборудования, выражаю­ щиеся, в конечном счете, в непостоянстве зазора между бойками.

Отмечено, что с уменьшением ширины полосы, при одной и той же степени деформации, разница вытяжек у середины и краев уменьшается, и наоборот.' Это проявляется в изменении формы

14

пластины при заданной её толщине в виде разницы вытяжек по

ширине. В случае ковки сравнительно невысоких пластин (-^ -^ 4 ) .

уширением, ввиду его незначительности, можно пренебречь. Из условия несжимаемости для малых деформаций и плоской задачи коэффициент вытяжки будет

мации.

Количественно это допущение сводится к тому, что смещенный по высоте объем, как это происходит обычно на практике, перехо­ дит в направлении длины, а его неравномерность распределения по ширине выражается в овальности концов. На рис. 5 показана схема перераспределения обжатия по ширине пластины.

£

Рис. 5. Схема перераспределения об­ жатия по ширине пластины

Назовем отношение приращения относительного удлинения ДА к величине приращения абсолютного обжатия 6Д Я по ширине пластины коэффициентом неравномерности удлинения и запи­ шем [8]

Выражая ДА, и 6Д Н, в соответствии с рис. 5, через абсолютные и относительные размеры и произведя дифференцирование с прене­ брежением бесконечно малых величин, получим ,

15

Приравнивая (12) и (13) и-интегрируя полученное равенство

пресса, который можно определить по следующей методике. Если 6Д Я по данному допущению является абсолютной величиной стрелы прогиба упруго деформированной балки переменного сече­

где Е — модуль упругости;

J— момент инерции сечения;

у — высотная текущая координата; х — горизонтальная текущая координата; q — распределенная нагрузка;

Q — длина балки.

Решая это уравнение согласно [9] и учитывая, что наибольшую деформацию балка будет иметь на концах при х — а, получим ве­ личину овальности концов пластины в плане для единичного об­ жатия

где Рср — среднее давление металла на боек; Ь— ширина пластины; Я — высота пластины;

h — высота бойка и траверсы пресса'в сечении, проходящем

Незначительная величина приращения относительного удлине­ ния для единичного нажатия перерастает в значительную вели­ чину овальности концов пластины в плане при ковке плоским бой­ ком за несколько переходов в течение операции. Для расчета пол­ ной величины относительной овальности концов пластины следует выражение (16) умножить на общее число единичных обжатий. На рис. 6 приведены результаты расчетных и фактически полу­ ченных данных величины приращения коэффициента неравномер­ ности удлинения в производственных условиях на ковочном прессе

16

3200 тс Ижорского завода для единичного обжатия. Расчетные дан­ ные показаны сплошными линиями, а производственные — штри­ ховыми. Величину среднего давления при ковке определяли по ма­ нометру, установленному в системе гидропривода пресса.

Величину истинного относительного приращения удлинения срединной части пластины по отношению к кромочным частям для единичного обжатия получали как отношение суммарного прира­ щения к числу обжатий за переход и относили его к конечной длине. В целом сравнение расчетных и производственных данных показало их довольно удовлетворительную сходимость.

Рис. 6. Зависимость относительного приращения середины пластины к ее кромочным частям от относительного обжатия

Таким образом, проведенный анализ основных факторов техно­ логического процесса ковки пластин показал, что:

1.Напряжения, возникающие в очаге деформации, различны по величине и знаку и выражаются в неравномерном распреде­ лении конечных приращений размеров заготовки.

2.Неравномерность распределения напряжений создает иска­

жение формы поперечного сечения заготовки, приводящее к от­ гибу ее концов.

3. Наличие упругих деформаций рабочих частей (верхний боек — траверса в большей степени, чем нижний боек — плита) ко­ вочного пресса создает дополнительную неравномерность вытяжек

по ширине заготовки.

4. Полученные расчетные данные мofy i фДужи iь--ее-новойлля разработки экспериментальных и промь|ил§ц^^_2^М5еосе© кофш.

{ ■ ■ . .Л :Т' ‘ 17

Полученные выводы дозволяют конкретизировать основную за­

лись базой для создания современной теории обработки металлов давлением, но именно в них прй разработке технологических про­ цессов на производстве отсутствует научная обоснованность.

Свободная ковка с ее мелкосерийным характером производ­ ства и обширной номенклатурой изготовляемых поковок, по срав­ нению с другими видами обработки металлов давлением, обладает следующими недостатками: низким коэффициентом весовой точ­ ности, значительным процентом угара металла, сложностью меха­ низации и автоматизации, плохим учетом бойкового хозяйства, несовершенством мерительного инструмента, устаревшим методом планирования выпуска поковок в тоннах и низким уровнем спе­ циализации производства. К тому же ГОСТ не регламентирует величину напусков, что часто приводит к значительному упроще­ нию заводскими технологами конфигурации поковок и, как след­ ствие, к увеличению их веса, особенно для внешних заказчиков.

Отмеченное существенно снижает эффективность процесса ковки и в целом технико-экономические показатели кузнечного про­ изводства. Поэтому только комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на установление отмеченных недостат­ ков и Научный подход к разработке технологического процесса ковки, позволит поднять культуру кузнечного производства на бо­ лее высокий уровень и обеспечить значительный экономический эффект.

Взадачу технолога при разработке технологического процесса

впервую очередь входит определение рациональной схемы ковки

ипоперечных сечений по переходам в диапазоне от исходных до конечных размеров поковки. Эти переходные сечения по всем своим элементам должны быть рассчитаны на основе законов пластиче­ ского течения металла с учетом критериев: «максимальная произ­ водительность» и «повышение качества металла поковок».

При выборе схемы ковки и определении режимов обработки

учитываются исходные технологические данные, куда входит: на­ значение поковки, ее конфигурация, марка металла и технологи­ ческие условия ковки.

На процесс ковки и особенно шлихтовки, позволяющей полу­ чать минимальные припуски на поковках, оказывают значительное влияние характеристики жесткости ковочного оборудования, рас­ смотренные ранее и определяющиеся упругими деформациями его составных частей (стол, траверса с бойком, колонны и пр.)., мощ­ ность привода и условия работы обслуживающего персонала.

Следовательно, критерий процесса,. исходные технологические данные и оборудование, на котором ведется ковка, неразрывно связаны с сечениями по переходам при ковке, лежащими в основе формоизменения металла.

18

Расчет формоизменения — уширения и удлинения, являющихся

•следствием задаваемого обжатия за переход и по всем переходам, составляют базу режима обжатий.

Таким образом, режим обжатий должен включать в себя опре­ деление коэффициентов деформаций металла по переходам и оп­ тимальную схему переходов применительно к тому оборудованию, на котором осуществляется технологический процесс. Практически так решаются только отдельные вопросы технологического про­ цесса, не связанные в единую стройную систему. Это вызвано тем, что в настоящее время технология изготовления поковок по тра­ диции составляется укрупненно с разбивкой только* по операциям (выносам) и предоставляет тем самым кузнецу возможность варьировать параметрами режима обжатий по переходам.

Расчет режима обжатий следует начинать с анализа кинема­ тики очага деформации. С этой целью в объеме очага деформации определяется положение нейтральных осей и плоскостей. Нейтраль­ ные оси и плоскости являются границами раздела течения метал­ ла. Нейтрали, как правило, проходят через центр тяжести анали­ зируемого сечения. Наиболее правильно центр тяжести сечения определяется через статические моменты, но возможны и другие методы. Правильное определение положения нейтралей позволяет рассчитать форму и с практической степенью точности вывести уравнение внешнего контура поковки, т. е. рассчитать удлинение и уширение при единичном обжатии по высоте очага деформации. Данные расчета необходимы для последующего определения абсо­ лютной величины обжатия.

Известно, что при ковке поковок большое влияние на пластиче­ ские свойства металла оказывает температурный фактор. В пре­ делах температурного интервала ковки режим обжатий заготовки надлежит рассчитывать таким образом, чтобы обеспечить требуе­ мой формы сечения за переход в минимально короткое время и

смаксимально возможной проработкой ее объема. Режим обжатий

исоздаваемые им условия деформации определяют требуемую конфигурацию ковочных бойков, конструкция и размеры которых должны в наибольшей степени уменьшать свободные, не контакти­ рующие поверхности обрабатываемого металла с инструментом. Такой подход способствует улучшению проработки металла, бла­ годаря улучшению схемы деформации. Это достигается примене­ нием специальных конструкций ковочных бойков с переменным профилем и площадью рабочей поверхности.

Таким образом, по рассчитанным размерам и формам переход­ ных сечений заготовки подбираются размеры и форма ковочных бойков, что способствует повышению качества поковок.

Рациональным режимом обжатий технологического процесса ковки является такой, при котором величина обжатия по перехо­ дам наибольшая, а механические свойства готовой поковки в про­ дольном и поперечном направлениях наилучшие. При такой по­

19