§ 65. Технологический процесс и оборудование

Основными факторами, определяющими выбор оптимального технологического процесса изготовления поковок для последующей меха­нической обработки, являются: конфигурация и геометрические раз­меры детали, соотношение размеров ее отдельных элементов, марка стали или другого металла и сплава, технические требования к изго­товлению, масштаб и конкретные производственные условия.

Технологический процесс должен обеспечить изготовление поковки в строгом соответствии с требованиями, предъявляемыми к ней чер­тежом и техническими условиями. При разработке технологического процесса необходимо выбрать из числа возможных вариантов процес­са наилучший, отвечающий" проектируемым условиям производства. Основным критерием при выборе наилучшего варианта технологиче­ского процесса является обеспечение наименьшей себестоимости од­ной тонны поковок требуемого качества. Выбор варианта технологического процесса изготовления поковок определяется также объемом производства и специальными требованиями к выпускаемой продук­ции, Бели речь идет о реконструкции и техническом перевооружении су Чествующего цеха, то необходимо учитывать имеющийся состав произ­водственного оборудования, если оно должно быть использовано после реконструкции. Однако и при проектировании новых цехов очень важно правильно учесть реальные возможности, связанные с условиями и сро­ками получения необходимого оборудования, и на этой основе произ­водить выбор его типажа.

Технологические процессы включают выполнение следующих основ­ных операций; разделка исходного материала на заготовки мерной длины, нагрев и термообработка, обработка давлением в целях придания необходимой формы, разделительные операции (разрубка, про­бивка, отрезка), отделочные операции — обдирка, очистка от окали­ны, удаление заусенцев (облоя), правка, калибровка (чеканка), консервация. Для разработки технологических процессов используются маршрутные ведомости (обычно проектные организации) или техно­логические (операционные) карты, нагрев заготовок. Передача тепла от поверхности внутрь заготовки зависит от теплопроводности, теплоемкости и плотности (удельного веса) металла. Чем выше теплопроводность металла, тем быстрее тепло проходит внутрь заготовки, тем меньше времени требуется на выравнивание температуры по поперечному сечению изделия. Теплопроводность за­висит от рода металла, химического состава сплава и температуры, Например, чем больше примесей содержит сталь, тем обычно меньше ее теплопроводность. С повышением температуры коэффициент тепло­проводности легированных сталей повышается, а углеродистых-понижаеться. При температуре 700—800° С коэффициенты теплопровод­ности этих сталей выравниваются.

Чем выше теплоемкость металла, тем больше времени требуется для выравнивания температуры внутри заготовки. Углеродистые ста­ли обладают меньшей теплоемкостью, чем легированные. С повышением плотности сплава время для выравнивания температуры увеличивается.

Во всех случаях при нагреве заготовки получается перепад температуры по поперечному сечению. Этот перепад тем больше, чем больше сечение нагреваемой заготовки и чем быстрее производится на­грев. Вследствие образующегося перепада температуры в металле и неравномерного теплового расширения по сечению заготовки создаются значительные напряжения, которые при определенных условиях могут привести к его разрушению.

Возникающие в металле напряжения, даже при очень быстром нагреве, меньше тех, которые может выдержать металл. Однако если в металле имеются остаточные напряжения, получившиеся от предыдущих тепловых и пластических деформаций при прокатке, охлаждении металла после прокатки и пр., то они, суммируясь с напряжениями получаемыми при нагреве, могут превзойти допускаемые и вызывают образование трещин. Отожженный металл можно нагревать поэтами быстрее.

При температурах выше 550° С все стали, в том числе и легированные, становятся более пластичными и поэтому дальнейший резкий подъем температуры не вызывает нарушения целостности нагреваемого металла. Многие стали обладают высокой пластичностью и при более низких температурах — в интервале- 0...550⁰ С, поэтому их можно нагревать весьма быстро и в этом температурном интервале.

Таким образом, при выборе режима нагрева необходимо учитывать род и марку материала, наличие остаточных напряжений от предыдущих операций, а также в области каких (низких или высоких) температур происходит нагрев металла.

Основными величинами, характеризующими режим нагрева ме­талла перед штамповкой, являются температура печи при посадке за­готовок, скорость нагрева металла, конечная температура нагрева, время выдержки при заданной температуре, общая продолжительность нагрева, температурный интервал штамповки или ковки.

В зависимости от материала заготовки, формы и размера профиля нагреваемого металла устанавливается температура печи. Для подав­ляющего большинства конструкционных сталей при сечении заготовок до 100 мм Посадка их может производиться в печь е температурой 1200... 1300° С.

Скоростью нагрева называют увеличение температуры металла в градусах за единицу времени. Скорость нагрева зависит от температуры рабочего пространства печи И теплопроводности металла. Чем выше температура в рабочем пространстве, тем быстрее происходит на­грев металла. Чем выше теплопроводность, тем быстрее передается тепло от поверхности заготовки внутрь нее, Перепад температур меж­ду рабочим пространством печи и нагретой заготовкой в обычных пла­менных печах принимается обычно порядка I50° С.

Продолжительность нагрева заготовок является одним из наибо­лее важных вопросов технологии кузнечного производства. На продолжительность нагрева влияют форма и размеры заготовки, ее теп­лопроводность и температуропроводность, температура печи и конеч­ная температура нагреваемой заготовки, а следовательно, и темпера­турный перепад.

Нагрев заготовок перед ковкой и штамповкой может осущест­вляться в пламенных печах и электрических нагревательных устрой­ствах. В массовом и крупносерийном производствах используют мето­дические, карусельные (с вращающимся подом) и щелевые пламен­ные печи, в серийном, мелкосерийном и индивидуальном производст­вах камерные, а иногда также щелевые пламенные печи.

В последнее время все более широкое распространенно получают электрические нагревательные устройства, которые разделяются на печи сопротивления, печи контактного нагрева и индукционные нагрева­тели. Наиболее прогрессивен нагрев заготовок в индукционных нагре­вателях, обеспечивающих высокую скорость нагрева, вследствие чего уменьшается образование окалины на поверхности заготовок. Для пи­тания индукционных нагревателей могут применяться токи промышлен­ной (низкой) частоты 50 Гц, повышенной частоты 500...8000 Гц и высо­кой частоты 10000 Гц и выше. Токи промышленной частоты, вследствие малой эффективности, почти не применяют. Токи высокой частоты ис­пользуют для нагрева специальных сплавов и некоторых цветных ме­таллов. Для нагрева стальных заготовок почти всегда используют то­ки повышенной частоты.

Источниками тока для индукционных нагревателей могут служить машинные (однофазные) преобразователи и статические ионные и тиристорные преобразователи. Машинные преобразователи устанавливают на пол, на виброизолирующие опоры без фундамента в закры­том, вентилируемом помещении. В воздухе должны отсутствовать вредные примеси и газы, разрушающие изоляцию. Однотипные ма­шинные преобразователи могут работать параллельно. Статические преобразователи предназначены для работы в закрытых помещениях, в местах, защищенных от попадания воды, масла и пр., на высоте над уровнем моря не более 1000 м. Окружающая среда — невзрывоопас­ная, не содержащая значительного количества агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию, не насыщенная токопроводящей пылью и водяными парами. Температура окружающего воздуха от 0 до +40° С, относительная влажность не бо­лее 90% при 20° С и не более 50% при 40° С.

При выборе источников питания индукционных нагревательных установок следует исходить из следующих показателей, характеризу­ющих статические и электромашинные преобразователи.

Коэффициенты полезного действия машинных преобразователей частоты при номинальной нагрузке находятся в пределах от 80 до 90% в зависимости от мощности преобразователей. При снижении на­грузки до 25% значения к. п. д. падают до 50% у преобразователей малой мощности и до 80% у мощных преобразователей. К. п. д. стати­ческих преобразователей практически не зависят от мощности и вели­чины нагрузки и составляют 90—95%. Потери холостого хода у ма­шинных преобразователей 10...12%, у статических — 3...4% от номи­нальной мощности.

Средний удельный расход электроэнергии при нагреве 1 т загото­вок до 1200...1250° С и использовании машинных преобразователей — 450...500 кВт*ч (1,6*10⁶...1,8*10⁶ кДж), статических преобразователей — 400...450 кВт*ч (1,45*10⁶...1,6*10⁶ кДж). Преимуществом последних является большая возможность плавного изменения частоты тока. При изменении в процессе нагрева параметров нагрузки одновременно ме­няется частота тока источника питания, что обеспечивает оптималь­ную настройку контура нагревателя и стабилизацию выходного напря­жения преобразователя.

Вес комплекта оборудования у статического преобразователя в 1,5...3 раза (в зависимости от типа преобразователя) меньше, чем у машинного.

При выборе типа статических преобразователей частоты (ионных или тиристорных) необходимо учитывать, что к. п. д., потери холостого хода, коэффициенты мощности, возможность плавного регулирования частоты тока и диапазоны частот у преобразователей ионных и тири­сторных практически равноценны; тиристорные преобразователи за­нимают в 1,5...2 раза меньше площади, чем ионные. Тиристорные пре­образователи целесообразно применять в качестве источников пита­ния отдельных потребителей и устанавливать вблизи них. Ионные преобразователи более целесообразно использовать в системе центра­лизованного питания, что связано с возможностью их размещения от потребителей на расстоянии до 200 м. Преобразователи этого типа требуют для согласования их параметров с параметрами нагрузки применения высоковольтного понизительного трансформатора повы­шенной частоты и в связи с этим более сложных условий обеспечения требований техники безопасности по сравнению с существующими тиристорными преобразователями, у которых высоковольтная аппарату­ра отсутствует.

Для питания нагревателей током повышенной частоты применяют, как централизованное, так и индивидуальное питание. В первом случае несколько генераторов повышенной частоты подключают параллельно к сборным шинам распределительного устройства, от которых раздель­ными фидерами питание током повышенной частоты подается к от­дельным нагревателям. Для передачи энергии повышенной частоты используют силовые двух-, трех- или четырехжильные кабели с бумажной пропитанной изоляцией или коаксиальный кабель.

Схемы и конструктивные решения генераторных станций предусма­тривают как индивидуальное, так и централизованное питание нагревателей.

Выбор места расположения генераторной станции, питающей индукционные нагреватели, следует производить из расчета, чтобы длина токопроводов от шин генераторной станции с электромашинными преобразователями частотой 2500 Гц не превышала 150 м, с преобразователями частотой 8000...10000 Гц—100 м и с ионными преобра­зователями типа СЧГ-200 м. Помещения для генераторов должны быть оборудованы грузоподъемными механизмами грузоподъемностью, рассчитанной на полную массу наиболее мощных преобразова­телей.

Технология и оборудование при ковке. Ковка при­меняется преимущественно в мелкосерийном и индивидуальном произ­водствах. В качестве оборудования используются ковочные паровоз­душные и пневматические молоты, ковочные гидравлические и паро­гидравлические прессы. На ковочных и парогидравлических прессах изготавливают крупные поковки. По массе поковки очень разнооб­разны и достигают 100 т и более.

Обычно заготовкой для ковки под прессом служит слиток, имею­щий многогранную форму поперечного сечения.

Первая операция при ковке слитка под прессом состоит в оттяжке хвоста под патрон. Хвост,, как правило, оттягивают со стороны при­быльной части слитка, реже — со стороны поддона. Биллетировка слит­ка — вторая операция при ковке слитка (биллетировка — это обжатие ребер для придания заготовке формы тела вращения). Рубку производят как в вырезных, так и на плоских бойках: в вырезных бойках — заготовки круглых сечений, на плоских бойках — пластины, а также по­ковки прямоугольных сечений. После биллетировки слиток осаживают. При небольших поковках осадку слитка производят под плоскими бой­ками без плит. При ковке поковок из крупных слитков осадку производят при помощи накладных плит, причем одну плиту, имеющую форму коль­ца, помещают на стол пресса, а вторую накладывают поверх слитка. Выемка в осадочных плитах способствует центровке слитка под прес­сом. При наличии у поковки отверстия в процессе ковки производят прошивку.

Ковочные молоты подразделяются на паровоздушные и пневмати­ческие.

Паровоздушные ковочные молоты предназначены для изготовления поковок средней массы ковкой преимущественно из прокатанных заго­товок, а также для ковки в подкладных штампах.

По типу станины молоты разделяются на одностоечные и двухстоечные. В СССР изготовляют двухстоечные молоты с массой падающих частей от 1 до 5 т.

Ковочные пневматические молоты предназначены для изготовления поковок малой массы ковкой из прокатанных заготовок. В СССР изго­товляют пневматические молоты одностоечного типа с параллельно рас­положенными рабочими и компрессорным цилиндрами (в одной отлив­ке со станиной). Пневматические ковочные молоты изготовляют массой падающих частей от 75 до 1000 кг.

Ковочные гидравлические прессы предназначены для изготовления поковок преимущественно из слитков. По типу станины разделяются на двухколонные и четырехколонные. Ковочные гидравлические прессы изготовляют усилием от 1250

до 150 000 кН.

Выбор типа и мощности ковочного оборудования производят исходя из конструктивно-технологических характеристик и массы входящих в заданную программу поковок с учетом особенностей деформирования различных материалов (табл. VIII.19).

Определение потребного количества оборудования производят по средним показателям часовой производительности оборудования, уста­новленным на основе расчетов и обобщения опыта передовых кузнеч­ных цехов. При расчете потребного количества ведущего оборудования следует учитывать коэффициент неизбежных простоев оборудования. Этот коэффициент составляет: для молотов до 5 т — 0,95...0,92, свыше 5т — 0,93...0,90; для прессов до 8000 кН —0,95..,0,92; 12 500...32000кН -0,93...0,90,

Таблица VIII.l9