Оборудование для свободной ковки

Сущность ковки. Операции свободной ковки. Характеристики деформации при ковке

Глава 5 Ковка металла

Контрольные вопросы

Технологические операции при волочении

В качестве исходного материала для волочения применяют катанную или прессованную заготовку. Независимо от способа получения исходная заготовка перед волочением проходит тщательную предварительную подготовку, кото-рая заключается в проведении того или иного вида термической обработки, удалении окалины, подготовки поверхности для закрепления и удержания на ней смазки в процессе волочения.

Эти предварительные операции обеспечивают нормальное протекание пластической деформации в волочильном отверстии, способствуют получению высокого качества поверхности, уменьшают усилия и энергию на волочение и снижают износ.

Термическая обработка металла перед волочением снимает наклеп, при-дает металлу необходимые пластические свойства, обеспечивает получение оп-тимальной структуры. В зависимости от химического состава и назначения применяют отжиг, нормализацию, закалку и т.д. В процессе получения гото-вого изделия волочением термообработку для снятия наклепа и улучшения структуры можно выполнить несколько раз в зависимости от размеров исход-ного и конечного продукта и окончательных конечных показателей. Обычно промежуточную термообработку проводят после относительного обжатия 75 – 85 %. Готовый продукт также может подвергаться термообработке для по-лучения требуемых механических свойств и структуры.

При производстве проволоки и прутков удаление окалины в волочильных цехах проводят механическим, химическим и комбинацией этих способов.

При механической очистке проволоку или пруток подвергают периоди-ческим перегибам между роликами. Окончательную обработку проводят меха-ническими щетками (рисунок 39).

Такой способ пригоден для очистки поверхности прутков и проволоки из углеродистой стали, окалина которой при перегибах легко разрушается и

опадает.

Рисунок 39 – Схема удаления окалины при перегибе через ролики

Из механических способов, обеспечивающих достаточно успешное удале-ние окалины, широкое применение находит дробеметная очистка (рисунок 40), при которой под действием ударов дроби из отбеленного чугуна, стального литья или высокопрочной мелконарезанной стальной проволоки окалина на поверхности обрабатываемого изделия разрыхляется и удаляется.

Рисунок 40 – Схема дробеметной установки для удаления окалины

Химические способы удаления окалины получили широкое распростране-ние благодаря своей надежности. Травление углеродистых и ряда легиро-ванных сталей проводят в серной или соляной кислоте. Высоколегированные стали травят в смесях кислот: серной и соляной, серной и азотной.

Травление металла для очистки от окалины проводят с добавлением

присадок и ингибиторов, которые уменьшают скорость растворения основного металла, но не влияют на скорость растворения окалины, что предотвращает перетрав. После травления металл тщательно промывают. Промывку проводят немедленно, так как задержка приводит к высыханию травильной жидкости и выделению труднорастворимых солей железа (сначала горячей водой, что обес-печивает интенсивное растворение солей, а затем холодной).

После удаления окалины наносят подсмазочный слой, который должен хорошо удерживать смазку при волочении и способствовать предохранению налипания металла на рабочую поверхность волоки.

Подсмазочный слой наносят при операциях желтения, меднения, фосфоти-рования и известкования.

При желтении поверхность изделия покрывают тонким слоем гидроксида железа Fe(OH)₃ желтого цвета, который совместно с известью выполняет роль наполнителя при волочении с мыльным порошком.

Прутки и проволоку из углеродистой и легированной стали часто подвер-гают меднению в течение 1 – 5 мин в растворе серной кислоты и медного купо-роса. Обработка меднением позволяет проводить волочение с большими сум-марными обжатиями, так как тонкая пленка меди заметно снижает коэффи-циент трения, что облегчает процесс волочения.

Иногда применяют фосфатирование – процесс образования на проволоки мелкой кристаллической пленки фосфатов марганца, железа или цинка. Фос-фатная пленка в сочетании со смазкой способствует уменьшению усилия и износа волок.

При известковании металл погружают на 5 мин в раствор извести. При этом выполняются две задачи: нейтрализация остатков кислоты на поверхности металла после травления; выполнение осевшими частицами извести роли наполнителя при сухой смазке мыльным порошком.

После травления, промывки и нанесения подсмазочного слоя, металл сушат в камерах с температурой воздуха 300 – 350 ⁰С. Во время сушки удаля-ется вода и часть растворенного в металле водорода; это способствует устране-нию травильной хрупкости металла.

До волочения на сухую поверхность металлической заготовки наносят соответствующую смазку. Смазка уменьшает усилие волочения и расход энер-гии, способствует получению гладкой поверхности протягиваемого металла и повышает стойкость инструмента (волоки).

Применяемые при волочении смазки разделяют на твердые (мыльные по-рошки, графит, парафин), консистентные или полужидкие (солидолы, мине-ральные масла в смеси с мылом, петролатумом и т.д.) и жидкие (водные эмуль-сии минеральных масел и мыла, масляные эмульсии с добавлением керосина в качестве диспергатора). Часто применяют сухие смазки, к которым относят стеараты натрия, кальция и алюминия. Применяют жирные кислоты, причем, наибольшего эффекта достигают при применении стеариновой кислоты. Со-держание жирных кислот в смазке колеблется от 40 до 90 %. Жидкие смазки, кроме их прямого назначения, должны обладать и высокими охлаждающими свойствами и хорошей смачиваемостью. С этой целью в них добавляют поверх-ностно активные вещества. Введение в смазку небольших количеств поверх-ностно активных веществ (серы, фосфора) облегчает процесс деформирования металла. Эти вещества проникают в микротрещины на поверхности протяги-ваемой заготовки и создают в них дополнительные раздвигающие усилия, об-легчающие процесс деформации под воздействием внешних сил.

Выбор режима волочения, т.е. обжатия, скорости волочения и смазки зави-сит от свойств металла и свойств материала волоки, профиля и величины попе-речного сечения изделия.

Готовый профиль разрезают на мерные длины в случае необходимости, подвергают правке на роликоправильных машинах, которые устанавливают или в потоке производства или отдельно, смазывают и упаковывают.

1. Перечислите основные преимущества процесса волочения.

2. Что относится к основным параметрам деформации процесса волоче-ния?

3. Какие факторы влияют на напряжение волочения?

4. Дайте классификацию волочильным станам.

5. Основные преимущества волочильных станов многократного волочения.

6. Какими способами удаляют окалину перед волочением?

7. В чем заключается операция нанесения подсмазочного слоя? Его назна-чение.

8. Перечислите основные отделочные операции готовго профиля после во-лочения.

Ковка представляет собой широко распространенный способ обработки металлов давлением с целью получения изделий, называемых поковками.

Ковка – способ обработки давлением, при котором деформирование нагре-того (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота или однократным давлением пресса.

Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях, перпендикулярных к движению деформирующего ин-струмента. При свободной ковке течение металла ограничено частично, тре-нием на контактной поверхности деформируемый металл – поверхность ин-струмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов.

Различают ручную и машинную свободную ковку, которые осуществля-ются с помощью различного кузнечного инструмента (рисунок 41). Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве.

Машинная свободная ковка осуществляется с применением кузнечно – прессовых машин. Мелкие и средние по массе поковки (массой до 750 кг) изготовляют на молотах, а крупные (массой до 350 т) – на прессах.

а

б

в

а – обжимки; б – наметки, пережимки, раскатки; в – прошивки

Рисунок 41 – Основной кузнечный инструмент

Технологические процессы ковки представляют собой различное сочета-ние и последовательность основных и вспомогательных операций, таких как осадка, протяжка, прошивка, гибка, кручение, рубка, кузнечная сварка, а также операции отделки и термической обработки (если это требуется).

Осадка – это операция, при которой за счет обжатия по высоте увеличи-вается площадь поперечного сечения заготовки, перпендикулярного к деформи-рующей силе (рисунок 42, а).

Осадка является основной операцией для получения формы поковки, но может применяться также как промежуточная для устранения литой структуры или анизотропии свойств металла.

При выполнении осадки требуется, чтобы инструмент перекрывал заго-товку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приоб-ретает бочкообразную форму, это характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое ка-чество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.

Во избежание продольного изгиба заготовки необходимо, чтобы при осад-ке выполнялось следующее условие:

,

где и – соответственно начальная толщина, ширина или диаметр заготовки, мм.

Деформация металла при осадке характеризуется коэффициентом ковки:

, (62)

где – коэффициент ковки при осадке; – толщина поковки после осад-ки, мм; – площадь поперечного сечения заготовки и поковки, мм².

Разновидностью осадки является высадка части заготовки. Высадка мо-жет быть осуществлена при нагревании только определенной части заготовки (на конце или в середине) или ограничением деформации части заготовки коль-цевым инструментом (рисунок 42, б).

Очень важным условием при осадке является условие плоской (двумерной) деформации, т.е. деформации без уширения: при (где и – соответ-ственно начальные длина и ширина заготовки, мм) деформация является дву-мерной, и металл течет только в направлении длины.

Усилие при осадке определяется по той же формуле, что и при прокатке

.

Однако контактная площадь определяется иначе

, (63)

где – ширина и длина полученной поковки, мм.

Среднее давление металла на инструмент можно определять, как и при

прокатке по формуле

.

а – осадка; б – высадка; в – протяжка; г – рубка; д – прошивка; е – раскат-ка; ж – рубка; з – кручение; и - сварка

Рисунок 42 – Операции свободной ковки

Однако в отличие от процесса прокатки коэффициент напряженного состо-яния при ковке определяется весьма сложно и в зависимости от отношения определяется по-разному.

Таким образом

1) при отношении >2+и 0<<0,5

, (64)

где – толщина поковки, мм; – коэффициент трения в процессе ковки.

2) при 2<<2+и 0<<0,5

. (65)

3) при 2 и 0<<0,5

. (66)

4) при 2 и 0,5

. (67)

Сопротивление металла деформации при ковке необходимо определять по уравнению Л.В. Андреюка – Г.Г. Тюленева.

Скорость деформации при операциях ковки определяется из выражения

, (68)

где – высотная деформация при осадке, определяемая как и при прокат-ке; – абсолютное обжатие, мм; – скорость осадки, м/с.

Протяжка – операция, в процессе которой длина заготовки увеличивается за счет уменьшения ее поперечных размеров при последовательных по длине нажатиях бойками.

При протяжке в отличие от осадки заготовку обрабатывают участками при последовательной подачи ее под бойки молота или пресса (рисунок 42, в).

Если сечение нужно уменьшать за счет толщины и ширины заготовки, то после каждой подачи производится осаживание толщины и затем после кан-товки на 90 ⁰ – осадки ширины.

Металл, осаживаемый участками по высоте, течет в направ­лении длины и ширины. К деформируемому за каждый обжим участку с обеих сторон при-мыкают участки, не подвергающиеся непосредственно действию инструмента. Эти участки сдерживают течение металла в направлении ширины и прину-дительно вырав­нивают деформации в длину по всей ширине.

Так как целью протяжки является увеличение длины за счет уменьшения сечения, необходимо обжим осуществлять так, чтобы течение металла в шири-ну было минимальным. Этого достигают об­жимом малыми подачами при ма-лом отношении подачи к ширине заготовки. Однако при малых подачах увели-чивается число об­жимов и снижается производительность.

Для интенсификации процесса протяжки и получения достаточно гладкой поверхности подачу следует принимать в следующих пределах

, (69)

где – величина подачи заготовки, мм; – ширина бойков, мм.

Для определения размеров заготовки после обжатия вводится понятие уковки. Уковка – это коэффициент вытяжки за обжатие:

, (70)

где – коэффициент уковки при протяжке; – площадь поперечно-го сечения заготовки до протяжки и поковки после протяжки, мм².

Кроме того, при осадке и протяжке показателем деформации является высотная деформации

.

Удельное усилие (т.е. усилие, приходящееся на единицу площади или среднее давление) при протяжке определяется по формуле

. (71)

Осадка и протяжка являются основными операциями свободной ковки.

Помимо них к операциям ковки относятся следующие.

Рубка, которую применяют для разделения заготовки на несколько частей или для удаления концов поковок при помощи зубил и кузнечных топоров (ри-сунок 42, г).

Рубка производится в холодном и горячем состоянии. В холодном сос-тоянии рубят тонкие и узкие полосы и прутки сечением 15 – 20 мм. Более тол-стые заготовки нагревают.

Схема рубки основана на действии деформирующей силы на малую пло-щадь соприкосновения инструмента с заготовкой, а реакция этой силы со сто-роны нижней части распределена по большой поверхности заготовки, и плас-тической деформации здесь не возникает.

В зависимости от габаритов и формы заготовок используют следующие спо-собы рубки:

- с одной стороны – для тонких заготовок;

- с двух сторон, сначала осуществляется предварительная надрубка заготовки на 0,5 – 0,75 высоты, после кантовки на 180⁰ проводится окончатель-ная рубка;

- с трех сторон – для круглых и крупных заготовок, осуществляются две надрубки на глубину 0,4 диаметра заготовки с кантовкой на 120⁰, после второй кантовки на 120⁰ проводят окончательную рубку;

- с четырех сторон – для крупных заготовок, после надрубки с четырех сто-рон в центре остается перемычка прямоугольного сечения, по месту которой производят разделение заготовки на части.

Прошивку применяют с целью получения сквозных или глухих отверстий в металле при помощи прошивня (рисунок 42, д), который может быть сплошным или пустотелым. Сквозное отверстие обычно получают за два прохода. Сначала на заготовке, уложенной на подкладное кольцо, прошивнем делается наметка отверстия, затем заготовка кантуется на 180⁰ и прошивается сквозное отверстие с удалением отхода, называемого выдрой. Прошитая заготовка далее может раскатываться подиаметру.

Раскатка по диаметру (рисунок 42, е) осуществляется с применением оп-равки, что приводит к утонению кольца и увеличению его диаметра. Заготовка опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку, устанавлива-емую концами на подставках, и деформируется между оправкой и узким длин-ным бойком. После каждого обжатия заготовку поворачивают относительно оп-равки.

При гибке заготовку изгибают по заданному контуру (рисунок 42, ж). Гиб-ку можно осуществлять при зажатии одного конца заготовки между бойками ударами кувалды по другому концу. Крупные заготовки подвергают гибке в специальных гибочных штампах или нагибочных машинах.

Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в месте изгиба (утяжка). Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Для избежания этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления. Радиус в месте изгиба не дол-жен быть меньше полутора толщин заготовки.

Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны.

Кручение состоит в повороте одной части заготовки относительно другой на заданный угол (рисунок 42, з). При кручении один конец заготовки зажима-ют между бойками, а на другой надевают вилку. Кручение производят ударом кувалды по противоположному концу вилки или с помощью крана.

Различают два случая:

1) поворот на угол до 180⁰ – для пространственной ориентации отдельных частей;

2) многократное скручивание на 360⁰ – для придания витого характера (используется как элемент украшения композиций решеток, перил, лестниц и т.д.).

Кузнечная сварка состоит в соединении в одно целое отдельных частей по-ковки различными способами: в нахлестку, в разруб, в стык (рисунок 42, и). Место соединения нагревают до температуры 1275 – 1400 ⁰С и сваривают, при-меняя внешнее давление. Такой вид сварки используют для низкоуглеро-дистых сталей с содержанием углерода 0,15 – 0,25 %.

В производственных условиях рассмотренные операции при изготовлении поковок применяются в различном сочетании в зависимости от характера выполняемой работы.

В качестве оборудования для ковки применяются ковочные молоты и ко-вочные прессы.

Оборудование выбирают в зависимости от режима ковки данного металла или сплава, массы поковки и ее конфигурации. Необходимую мощность обору-дования определяют по приближенным формулам или справочным таблицам.

Молоты – машины динамического ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной падающими частями молота к моменту их соуда-рения с заготовкой. Часть энергии теряется на упругие деформации инстру-мента и колебания шабота – детали, на которую устанавливают нижний боек. Чем больше масса шабота, тем выше КПД. Обычно масса шабота в 15 раз пре-вышает массу падающих частей, что обеспечивает КПД на уровне 0,8 – 0,9.

Для получения поковок массой до 20 кг применяют ковочные пнев-матические молоты, работающие на сжатом воздухе. Сила удара определяется силой давления сжатого воздуха, и может регулироваться в широких пределах. Масса падающих частей составляет 50 – 1000 кг. Основные параметры молотов регламентируются ГОСТами.

Для получения поковок массой до 350 кг применяют ковочные паро-воздушные молоты. Они приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7 – 0,9 МПа. Масса падающих частей составляет 1000 – 8000 кг. Параметры регламентируются ГОСТами.

Различают молоты простого действия, когда пар или воздух только под-нимают поршень, и двойного действия, когда энергоноситель создает дополни-тельное деформирующее усилие.

Прессы ковочные гидравлические – машины статического действия. Про-должительность деформации составляет до десятков секунд. Металл деформи-руется приложением силы, создаваемой с помощью жидкости (водной эмуль-сии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса. Выбира-ются прессы по номинальному усилию, которое составляет 5 – 100 МН. При-меняют в основном для получения крупных заготовок из слитков.